republique algerienne democratique et populaire … · a tout le corps professoral du magister des...

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LARECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE D’ORAN ES SENIAFACULTE DES SCIENCES – DEPARTEMENT DE PHYSIQUE

THESE

Présentée par

ABDERRAHIM Hamza

Pour l’obtention du diplôme de

MAGISTER

SCIENCES DE L’ENVIRONNEMENT ET CLIMATOLOGIE

MESURES METEOROLOGIQUES ET ENVIRONNEMENT :

REALISATION D’UN DETECTEUR DE POLLUTION

Devant le Jury :

Monsieur Mohamed SEBBANI

Monsieur Ahmed HAMOU

Monsieur Abdelkader BELAIDI

Monsieur Ahmed BOURAHLA

Professeur à l’Université d’Oran

Professeur à l’Université d’Oran

Professeur à l’ENSET d’Oran

Professeur à l’Université de Mostaganem

Président

Rapporteur

Examinateur

Examinateur

Soutenue le 30 novembre 2005

de 131

de 131

REMERCIEMENTS

Je tiens tout d abord à remercier le Professeur Ahmed HAMOU(Rapporteur) pour ses conseils avisés et pour avoir accepté de s investir dans cetravail.

Merci également aux membres du jury, le professeur Mohamed SEBBANI(Président), le Professeur Abdelkader BELAIDI (Examinateur) et le professeurAhmed BOURAHLA (Examinateur).

A tout le corps professoral du Magister des Sciences de l Environnementet Climatologie de la promotion 2003/2005 : le Professeur ALDOORI, leProfesseur BELAIDI, le Professeur BOUTIBA, le Professeur BOUZIANI, leprofesseur HACINI, le professeur HAMOU, le Professeur KAID HARCH, leProfesseur MEDERBAL, le Professeur MEKAHLI, le Docteur MANSOUR et leDocteur NAILI.

J'exprime toute ma gratitude à Monsieur le Directeur de l InstitutHydrométéorologique de Formation et de Recherche (IHFR) d Oran, A. LAGHA,et à Madame la S/directrice des Affaires Pédagogiques de l'IHFR, Z. CHEMLAL,pour m avoir permis d effectuer ce magister dans les meilleures conditions.

Une pensée amicale et sincère à tout le personnel des stations deTamanrasset et de l'Assekrem, et en particulier à Monsieur le Chef de région A.OULEDICHIR

Que le personnel de la Bibliothèque de l'IHFR et ainsi que tous ceux que jeai pu citer, et qui de près ou de loin ont contribué à ma formation, soient

sincèrement remerciés.

de 131

Résumé

Le chapitre 1 consiste en une introduction générale des concepts de mesuresenvironnementales météorologiques ou climatologiques. On y donnera quelques éléments decompréhension des grandeurs météorologiques et de leurs moyens de mesure pour mieuxcomprendre les phénomènes de pollution en relation avec la météorologie. Nous proposonségalement dans ce chapitre une description rapide des facteurs déterminants de la pollution.

Le chapitre 2 est dédié à une présentation théorique plus détaillée des facteursinfluence météorologiques (vent, température, pression, etc.) et propose de mieux

comprendre la relation directe entre les conditions climatiques et la migration et lecomportement des polluants atmosphériques. On présentera aussi le Système Mondial deSurveillance Continue de l Environnement.

Le chapitre 3 décrit principalement les principales méthodes de mesure de lacomposition chimique de l atmosphère. Mais devant la complexité de la mesure desnombreux polluants, nous nous bornerons uniquement aux méthodes que recommande

OMM d inclure dans les programmes de mesure des stations spécialisées. Nous décrironségalement dans ce chapitre le Système Mondial de Surveillance Continue de

Environnement, et les réseaux de surveillance implantés ou en phase de l être en Algérie.

Le chapitre 4 concerne d une part, dans le cadre du programme mondial de lasurveillance de la composition chimique de l atmosphère et de la qualité de l air, laprésentation de la Veille Météorologique Mondiale (VAG), à laquelle l Algérie participeactivement par l entremise d une station de base de mesure de la pollution de fond, implantéeà l Assekrem (à 50 km de Tamanrasset) dans le Hoggar, à une altitude de 2710 m. Lesméthodes et les instruments utilisés feront l objet d une description détaillée.

Le chapitre 5 traitera les paramètres mesurés dans les deux sites : depuis 1995 pourTamanrasset « ville », soit 10 années de données, et depuis mars 1997 pour l Assekrem, soit08 années de données. Le traitement comprendra principalement une analyse descriptive desévolutions mensuelles et annuelles avec des tableaux des résultats statistiques obtenus etillustrations graphiques correspondantes, calculs de certains paramètres telles que lescorrélations, régressions, etc.

Le chapitre 6 est dédié à une application pratique consistant en la réalisation d undétecteur de pollution, en l occurrence la mesure du CO2. Le montage est articulé autour d uncapteur à semi-conducteur. L acquisition des données issues du détecteur se fera par micro-ordinateur piloté par un logiciel élaboré en langage C.

Mots clés : météorologie, environnement, mesures, instruments, analyses, pollution, veillemétéorologique, capteur, détecteur, CO2

de 131

NOMENCLATURE

ADC

ADEME

BAPMoN

BCD

CAN

CDER

CFC

CITEPA

CLA

CMDL

CO

CO2

COV

EPA

GES

GEMS

HAP

HFC

HC

HPA

IR

KBYTE

Analog Digital Converter

Agence de l Environnement et de la Maîtrise de l Energie, France

Global Atmosphère Background Monitoring

Binaire Codé décimal

Convertisseur Analogique Numérique

Centre de Développement des Énergies Renouvelables, Alger

Chlorofluorocarbones

Centre International des Études Techniques de la Pollution Atmosphérique

Couche Limite Atmosphérique

Climate Monitoring and Diagnostics Laboratory ,USA

Monoxyde de carbone

Dioxyde de carbone

Composés Organiques Volatils

Environmental Protection Agency, USA

Gaz à effet de serre

Global Environment Monitoring System

Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques

Hydrofluorocarbures

Hydrocarbones

Hectopascal

Infrarouge

Kilo byte ou 1024 octets

de 131

LIDAR

LISA

LSB

MATE

MJ

NOAA

NOX

OMM

ONM

PAN

PIA

PPB

PPM

PPT

PNUE

PS

NCDC

OMM

ONM

RADAR

TEOM

UV

VAG

WMO

Light Detection And Ranging

Laboratoire Interuniversitaire des Sciences Atmosphériques, France

Least Signifiant Bit

Ministère de l Aménagement du Territoire et de l Environnement, Alger

Mégajoule (106)

National Oceanic Atmospheric and Administration, USA

Oxyde d Azote (1<X<2)

Organisation Météorologique Mondiale, Genève

Office National de la Météorologie, Algérie

Péroxy- Acétyl Nitrate

Peripheral Interface Adapter

Parties par billion, ou parties par milliard (10-9) = 1 milligramme/tonne

Parties par million = 1 gramme/tonne ou 1 m³ de gaz pour 1 000 000 m³ d'air.

Parties par trillion (10-12)

Programme des Nations Unies pour l Environnement

Particules solides

National Climatic Data Center)

Organisation Météorologique Mondiale, Genève

Office National de la Météorologie, Algérie

Radar Radiation Detection And ranging

Tapered Element Oscillating Microbalnce

Ultraviolet

Veille de l Atmosphère Globale

World Meteorological Organization

de 131

LISTE DES FIGURES

Fig. I.1Fig. I.2Fig. I.3

Fig.I.4

Fig. I.5.

Mât équipé d instrumentsAddition des effluents des cheminéesReprésentation schématique du déplacement des polluantsatmosphériques entre la source et le milieu récepteur.Plus la vitesse est grande, plus le volume d air qui passe au-dessus de lacheminée par unité de temps est important et plus l effluent est diluéReprésentation schématique de la structure de la basse troposphère par beau temps (Munn et Bolin, 1971)

161822

23

24

Fig. II.1.aFig. II.1.b.Fig. II.2.a.Fig. II.2b.Fig. II.3.a.Fig. II.3.b.Fig. II.4.Fig.II.5.Fig. II.6.Fig. II.7.Fig. II.8.Fig. II.9.Fig. II.10.

Situation normaleInversion de températureLa rose des ventsLa rose de pollutionLa rose des vents d OranLa rose de pollution d OranEffet de la vitesse du vent sur le comportement d'un panache de fuméeEffet de rabattement d'un édificeVariation de la température selon l altitudePhénomène de diffusion normalePhénomène d inversion de températureInfluence de la turbulence sur la dispersionProcessus de dépôt des polluants

33333535363637373839394146

Fig. III.1. Néphélomètre intégrateur 50

Fig. IV.1.Fig. IV.2.

Schéma et composantes du programme de surveillanceContribution des différents gaz au réchauffement du climat (décennie 1980)

5976

Fig. V.1.Fig. V.2.Fig. V.3.Fig. V.4.Fig. V.5.Fig. V.6.Fig. V.7.Fig. V.8.Fig. V.9.Fig. V.10.Fig. V.11.Fig.V.12.Fig.V.13.Fig. V.14.Fig. V.15.Fig. V.16.Fig. V.17.Fig. V.18.

Histogramme des valeurs moyennes mensuelles du trouble 1995 -2004Variations interannuelles du rayonnement solaire à TamanrassetÉvolution annuelle de l ozone total à Tamanrasset 1995 -2004Évolution des moyennes annuelles de l ozone à l Assekrem 1995 -2004Évolution des moyennes mensuelles de l ozone à l Assekrem 1995 -2004Évolution mensuelle des aérosols à l Assekrem 1997-2004Évolution des particules de 0.3à 0.7 mÉvolution des particules de 0.7 à 5 mÉvolution de la moyenne mensuelle du CO2Évolution de la moyenne mensuelle annuelle du CO2Évolution du CO2 dans les AçoresÉvolution mensuelle du COÉvolution annuelle du COÉvolution mensuelle du CH4Évolution annuelle du CH4Évolution des moyennes annuelles de H2Évolution des moyennes annuelles de N2OÉvolution des moyennes annuelles de SF6

79808183848687888990909191929293949494

de 131

Fig. VI.1.Fig. VI.2.Fig. VI.3.Fig. VI.4.Fig. VI.5.Fig. VI.6.Fig. VI.7.Fig. VI.8.Fig. VI.9.Fig. VI.10.Fig. VI.11.Fig. VI.12.Fig. VI.13.Fig. VI.14.Fig. VI.15.Fig. VI.16.Fig. VI.17.Fig. VI.18.

Exemple de réalisation de capteur céramique (doc. Figaro Inc.)Coupe d'un élément sensibleSchéma électrique équivalent du capteur HS135.Courbes du capteurVariation de RS/R0Différents éléments du capteur HS135Circuit électrique de test du capteurHS135Schéma de principe du montageVariation de la tension du capteur en fonction de la concentration Jour JVariation de la tension du capteur en fonction de la concentration J+7Circuit impriméImplantation des composantsSchéma fonctionnel de la carte CANSchéma de principe de la carte CANDiagramme des temps du CANImplantation des composantsSchéma fonctionnel de l interface PIA/PCSchéma de principe du PIA

989899101102102102103105106108108109110110111113116116

de 131

LISTE DES TABLEAUX

Tab. I.Tab. I.2.Tab. I.3.

Instruments de mesure des éléments météorologiquesLes échelles de la pollutionClassification des sources de polluants de l air

152227

Tab. II.1Tab. II.2.

Classes de stabilité atmosphérique (Pasquill-Turner)Conditions de la stabilité selon le type de classe

4040

Tab. V.1.Tab. V.2.Tab. V.3.Tab. V.4.Tab. V.5.Tab. V.6.Tab. V.7.Tab. V.8.Tab. V.9.Tab. V.10.Tab. V.11.Tab. V.12.Tab. V.13.

Statistiques descriptives du trouble atmosphérique en 1/1000Totaux annuels des composantes du rayonnementStatistiques descriptives de l ozone total en DUFréquences de mesure des polluants à l AssekremStatistiques descriptives de l ozone en surface en ppbStatistiques descriptives des aérosols en g/m3

Moyennes mensuelles des particules 1997 -2004Statistiques descriptives du CO2Statistiques descriptives du COStatistiques descriptives du CH4Statistiques descriptives de H2Statistiques descriptives de N2OStatistiques descriptives de SF6

79808182838687849192929393

Tab. V.1.Tab. VI.2.Tab. VI.3.Tab. VI.4.Tab. VI.5.Tab. VI.6.Tab. VI.7.Tab. VI.8.

Conditions de fonctionnement normal du capteur HS135Conditions d environnement du capteur HS135Caractéristiques de la sensibilité du capteur HS135Caractéristiques mécaniques du capteur HS135Structure et symboles du capteur HS135Tension du capteur en fonction de la concentration Jour Jdu capteur en fonction de la concentration Jour J+7Statistiques descriptives des 2 prises de mesure

100100100101102104104106

de 131

S o m m a i r e

CHAPITRE 1. CONCEPTS GENERAUX

Introduction1.1. Les objectifs .1.2. Les grandeurs à mesurer ...1.3. Les moyens de mesure ..1.4. Les instruments de mesures des paramètres environnementaux .. 1.4.1. Introduction 1.4.2. Instruments de mesures micro météorologiques 1.4.3. Études de moyenne échelle 1.4.4. Tours et mâts équipés d instruments ..1.5. Facteurs déterminants de la pollution et de l auto purification de l air . ...1.5.1. Introduction .. 1.5.2. Les sources de pollution 1.5.3. Les échelles de la pollution de l'air ..1.6. Météorologie de la pollution atmosphérique .. 1.6.1. Diagramme 1.6.2. Émissions . 1.6.3. Comportement initial des polluants dans l atmosphère 1.6.4. Transport et diffusion dans l atmosphère .1.7. Les modèles de dispersion des polluants 1.7.1. Introduction . 1.7.2. L approche gaussienne 1.7.2. L approche lagrangienne . 1.7.3. L approche eulérienne .

CHAPITRE 2. LA MÉTÉOROLOGIE ET LA POLLUTION DE L'AIR

2.1. Introduction ..2.2 Les facteurs d influence météorologiques 2.2.1. L influence des éléments météorologiques 2.2.2. Les facteurs aggravants ...2.3. L importance de la direction et de la vitesse du vent .. 2.3.1. La direction du vent .. 2.3.2. La vitesse du vent .2.4. Autres facteurs déterminants de la pollution . 2.4.1. La température de l air . 2.4.2. La turbulence 2.4.3. Les précipitations .. 2.4.4. L humidité . 2.4.5. Les nuages 2.4.6. La lumière du soleil ..2.5. Effet des conditions atmosphériques sur le comportement du panache . 2.5.1. Le panache sinueux 2.5.2. Le panache conique 2.5.3. Le panache en éventail .... 2.5.4. Le panache tourmenté vers le haut ..

1112131313131515161717192022222222232525262626

30313132343637373941424242434344444444

de 131

2.5.5. Le panache tourmenté vers le bas2.6. Les retombées des polluants . 2.6.1. Le dépôt des particules 2.6.2. Le dépôt sec 2.6.3. Le dépôt humide .

CHAPITRE 3. SURVEILLANCE ET INSTRUMENTATION

3.1. Mesure en chimie atmosphérique ... 3.1.1. Introduction . 3.1.2. Méthodes de mesure ... 3.1.3. Mesure du CO2 et du CO 3.1.4. Bioxyde de soufre et sulfate particulaire 3.1.5. Oxyde d azote et ozone .. 3.1.6. Aérosols .. 3.1.7. Dépôt par précipitation .. 3.1.8 Dépôt sec3.2. Qualité et stockage des données3.3. Le Système Mondial de Surveillance Continue de l Environnement .3.4. Les réseaux de surveillance en Algérie .. 3.4.1. Présentation des réseaux . 3.4.2. Polluants mesurés ... 3.4.3. Fonctionnement des stations . 3.4.4. Objectifs des réseaux .

CHAPITRE 4. PROGRAMME DE LA VEILLE DE L’ATMOSPHÈRE GLOBALE EN ALGÉRIE

4.1. Objectif général ..4.2. Mesures sur le site de Tamanrasset 4.2.1. Mesure du trouble atmosphérique 4.2.1.1. Définition et principe de mesure 4.2.1.2. Fréquences des mesures . 4.2.1.3. Ordre de grandeur . 4.2.1.4. Étalonnage du photomètre . 4.2.1.5. Archivage et envoi des données 4.2.2. Mesure de l ozone total . 4.2.2.1. Définition et principe de mesure 4.2.2.2. Fréquences des mesures 4.2.2.3. Ordre de grandeur .. 4.2.2.4. Étalonnage du Dobson ... 4.2.2.5. Archivage et envoi des données 4.2.3. Mesure du rayonnement solaire et atmosphérique . 4.2.3.1. Définition et principe de mesure .. 4.2.3.2. Les différentes mesures du rayonnement . 4.2.3.3. Structure du fichier de rayonnement 4.2.3.4. Ordre de grandeur 4.2.3.5. Étalonnage des pyranomètres et pyrhéliomètres .

4545464646

47474748484849515252535555565656

5960606061626262636364646565656566666767

de 131

4.2.3.6. Archivage et envoi des données .. 4.2.3.7. Mesure du rayonnement direct avec filtres 4.2.3.8. Mesure du rayonnement ultraviolet ..4.3. Mesures sur le site de l Assekrem . 4.3.1. Site de l Assekrem 4.3.2. Ozone de surface 4.3.2.1. Définition et principe de mesure . 4.3.2.2. Acquisition des données 4.3.2.3. Étalonnage de l analyseur d ozone 4.3.2.4. Archivage et envoi des données . 4.3.3. Mesure du black carbon (ou suie de carbone) .. 4.3.3.1. Définition et principe de mesure 4.3.3.2. Acquisition des données . 4.3.3.3. Archivage et envoi des données . 4.3.4. Mesure de la concentration des aérosols 4.3.4.1. Définition et principe de mesure

4.3.4.2. Acquisition des données . 4.3.4.3. Système ACCU (Automatic Cartridge Collection Unit)

4.3.5. Comptage des particules ..4.3.5.1. Définition et principe de mesure .4.3.5.2. Acquisition des données ..4.3.5.3. Ordre de grandeur4.3.5.4. Envoi des données des aérosols ..

4.3.6. Echantillonnnage des gaz à effet de serre ..4.3.6.1.Définition et principe de mesure ..4.3.6.2.Acquisition des résultats ..

CHAPITRE 5. ANNALYSE DES DONNEES DE LA STATION VAG

5.1. Préambule ...5.2. Analyse des données de Tamanrasset 5.2.1. Trouble atmosphérique .. 5.2.2. Rayonnement solaire et Ultraviolet 5.2.3. Ozone total .5.3. Analyse des données de L Assekrem . 5.3.1. Climatologie du site ... 5.3.2. Exploitation des données .. 5.3.2.1. Ozone en surface .. . 5.3.2.2. Aérosols . 5.3.2.3. Particules de poussière . 5.3.2.4. Gaz à effet de serre 5.3.2.4.1. Le CO2 .. 5.3.2.4.2. Le CO 5.3.2.4.3. Le CH4 . 5.3.2.4.4. Autres gaz ..5.4. Conclusion

6767686868686969707071717172727272737474747575757577

7879797981818182828687888991919295

de 131

CHAPITRE 6. REALISATION D’UN DETECTEUR DE CO2

6.1. Présentation de la réalisation ..6.2. Concepts généraux sur les microcapteurs de gaz ... 6.2.1. Les grands principes 6.2.2. Résistances à oxydes métalliques sur support céramique6.3. Les microcapteurs semi-conducteurs . 6.3.1. Principe 6.3.2. Perspectives 6.4. Spécifications techniques du capteur de pollution HS135 . 6.4.1. Caractéristiques 6.4.2. Applications . 6.4.3. Propriétés . 6.4.4. Courbes de sensibilité du capteur HS135 6.4.5. Structure et symboles du capteur HS135 .6.5. Réalisation du détecteur de CO2 6.5.1. Le schéma et principe de fonctionnement ... 6.5.2. Essais et tests . 6.5.3. Étalonnage du montage .. 6.5.4. Circuit imprimé et implantation .6.6. Carte convertisseur analogique-numérique 6.6.1. Présentation . 6.6.2. Description . 6.6.3. Schéma de principe et Fonctionnement . 6.6.4. Circuit imprimé et implantation . 6.6.5. Étalonnage de la carte convertisseur .. 6.6.6. Caractéristiques de la carte . 6.6.7. Nomenclature ..6.7. Carte interface PIA/PC .. 6.7.1. Technologie 6.7.2. Périphériques .. 6.7.3. Connexion 6.7.4. Décodage d adresses 6.7.5. Programmation du PIA 6.7.6. Exemple de programmation . 6.7.7. Schéma de principe .. 6.7.8. Vue de la carte PIA/PC .. 6.7.9. Logiciels d acquisition 6.7.10.Vues extérieure et intérieure du dispositif de détection de CO2

Conclusion .Annexe ..Bibliographie .

Plan et résuméNomenclature .. .Liste des figures .Liste des tableaux ..

969797979898999999100100101101102102104107108109109109110111111112112113113113113113114115116117117118

119120124

IIIIVVI

de 131

INTRODUCTION

La pollution de l'air est un problème important de l'hygiène du milieu, qui affecte lespays développés aussi bien que les pays en développement. Des quantités croissantes de gazet de particules potentiellement nuisibles sont émises dans l'atmosphère et entraînent desdommages à la santé humaine et à l'environnement. Elles endommagent également à longterme, les ressources nécessaires au développement durable de la planète. Le danger relatif présenté par les différents polluants gazeux et particulaires pour lasanté, varie avec la concentration de ces polluants dans le temps et dans l'espace, et ainsi leseffets sur la santé de ces polluants peuvent varier d'un pays à l'autre. En conséquence, lasurveillance continue, soignée et attentive des concentrations de gaz polluants ainsi que ladistribution granulométrie des particules, de leur concentration et de leur composition sontnécessaires avant qu'une estimation acceptable des effets soit faite. La situation est encoreplus compliquée car certaine combinaisons de polluants ont des effets cumulatifs et parfoissynergétiques.

Ce travail se veut avant tout une approche de l importance de la connaissance desfacteurs météorologiques pour une meilleure détermination de la dispersion des polluants. Enconséquence notre ambition est de faire un digest des grandeurs caractéristiques del'Environnement et des facteurs d influence météorologiques associés que l'on retrouveraexplicités plus ou moins en détail, pour la plupart, éparpillés dans les chapitres de cette thèse.

Outre la description des phénomènes de pollution atmosphérique liée aux conditionsmétéorologiques, nous présenterons également l expérience de l Algérie dans la surveillancede la composition chimique de l atmosphère, par le biais d une station située dans le Hoggar.Les données relatives aux meures exercées dans ce cadre seront explicitées par une analysestatistique accompagnée de tableaux, graphes et commentaires.

Nous détaillerons également certaines méthodes précises utilisées pour mesurer lespolluants que l Organisation Météorologique Mondiale recommande d inclure dans lesprogrammes de surveillance de l atmosphère. Nous présenterons aussi les réseaux desurveillance de la qualité de l air implantés en Algérie.

Pour ne pas rester en marge d une préoccupation majeure des chercheurs etscientifiques à l heure actuelle, à savoir la concentration croissante des gaz à effet de serre(GES), et notamment du dioxyde de carbone (CO2), nous nous intéresserons à cet aspect parla réalisation d un détecteur de CO2 articulé autour d un capteur à semi-conducteur.

acquisition se fera par un microordinateur piloté par un programme en langage C.

de 131

CHAPITRE 1

CONCEPTS GENERAUX

1.1. Les objectifs

Les mesures environnementales climatologiques sont très diverses tant en ce quiconcerne la nature des paramètres à mesurer que l'objectif final de la mesure. Nous allonsconsidérer en premier lieu les divers objectifs liés à des mesures climatologiques.

Il peut s'agir :

• d'identifier les principaux paramètres permettant à un météorologiste de faire uneprédiction à court ou long terme du temps qu'il va faire. C'est généralement ce quel'on sous entend quand on parle de mesures climatologiques. On peut déjà admettredeux sous classes selon qu'il s'agit de micro ou de macro météorologie.

• une deuxième approche concerne non les prévisions mais les statistiques de ce quis'est réellement passé, soit pour des objectifs de connaissances des climats, avecen vue de futures modélisations, soit pour des objectifs à relativement court termebeaucoup plus ponctuels mais économiquement importants : les prévisions desconséquences locales du climat, en particulier sur l'agriculture et les opérations quedevront entreprendre les agriculteurs en conséquence.

• une troisième approche concerne les problèmes de pollution atmosphérique qu'ilssoient chroniques ou accidentels. La connaissance de l'ensemble des paramètresclimatologiques en temps réel d'une zone géographique va permettre la prévision àcourt terme des déplacements de polluants et donc l'anticipation si besoin est desmesures d'urgence (plans d'évacuation par exemple en cas de pollution accidentellesévère).

• une quatrième approche concerne pour certains pays européens le domaine del'exploration médicale. Beaucoup d'outils d'aide au diagnostic fonctionnent en modeambulatoire ou en poste fixe au domicile du patient et concernent souvent despathologies dans lesquelles les conditions d'environnement climatologiques ont unrôle conséquent. Il convient donc de les identifier aussi bien en milieu extérieur qu'enmilieu confiné.

Enfin dans certains milieux industriels il est indispensable de contrôlerl'environnement climatologique soit pour l'obtention de conditions de production optimisées,soit pour assurer le confort des opérateurs.

Il est assez intuitif que les paramètres à mesurer ne seront pas exactement les mêmesdans les divers cas précités et que pour un même paramètre sa plage de variation et lescaractéristiques métrologiques demandées seront elles aussi différentes selon les cas.

Il pourra en résulter des besoins différents en terme de capteurs.

de 131

1.2. Les grandeurs à mesurer

Les paramètres les plus utiles à connaître sont :

• la température que l'on peut mesurer à différents niveaux, y compris dans le sol• la pression atmosphérique• l'humidité relative de l'air• la pluviométrie• l'ensoleillement• la vitesse et la direction du vent• la durée d'humectation des feuilles (pour l'agronomie essentiellement)• la densité du brouillard au niveau du sol (pour la circulation routière)• l'ennuagement (pour les météorologues essentiellement)

1.3. Les moyens de mesure

En pratique on peut disposer de 4 possibilités :

• des moyens à grande échelle consistant essentiellement en des images satellitesenregistrées dans différentes bandes de fréquence (UV, visible, IR)

• des moyens ascendants : ballons-sondes équipés d'un ensemble de capteurs etpermettant en un lieu donné d'effectuer une statistique verticale presque instantanéesur 1 km ou plus des diverses grandeurs mesurées

• des moyens fixes : stations météorologiques d'aéroport ou d'exploitation agricole• des moyens mobiles : micro dispositifs intégrés dans les systèmes ambulatoires

(médicaux ou autres)

La dispersion et le transport des polluants dans l'air dépendent de l'état de l'atmosphèreet des conditions météorologiques (turbulence atmosphérique, vitesse et direction du vent,ensoleillement, stabilité de l'atmosphère, etc.). Cette dispersion et ce transport s'effectuentnotamment dans une tranche d'atmosphère qui s'étend du sol jusqu'à 1 ou 2 km d'altitude, etque l'on appelle la couche de mélange atmosphérique, [12]. Dans cette couche les polluantspeuvent en outre subir des transformations chimiques plus ou moins complexes. Certainspolluants dont la durée de vie est élevée peuvent également être transportés à plus hautealtitude, voire dans la stratosphère, couche d'air comprise entre 8 et 40 km d'altitude environ.

1.4. Les instruments de mesures des paramètres environnementaux

1.4.1. Introduction

Les données sur la pollution atmosphérique nécessitent souvent une interprétationmétéorologique. Très tôt, par conséquent, l utilisation que l on entend faire des donnéesdoit être prise en considération et, lorsque cela est nécessaire, des mesures météorologiquessupplémentaires doivent être faites. Si une étude doit durer plusieurs années ou plusieursdécennies, les programmes d observation météorologique peuvent devenir une partieintégrante du réseau de surveillance de la pollution, [23]. On citera au passage le cas duprogramme mondial de surveillance de l atmosphère auquel est impliquée l Algérie, quenous détaillerons dans le chapitre 4.

de 131

Certains instruments météorologiques utilisés dans les études et la surveillance de lapollution atmosphérique sont énumérés dans le tableau I.1 ci-après :

Élément Type de mesure Instruments

Vent en surface

Direction moyenneponctuelle

Vitesse moyenneponctuelle

- Girouette - Anémomètre

à coupelles

Turbulence Ponctuelle Anémomètre bidirectionnel

Température

Ponctuelle ougradients à partir

une tour

Thermomètre à résistance(sous abri)

Humidité Ponctuelle

- Psychromètre- Hygromètre- Humicap(sous abri)

Vent,pression,

température ethumidité en

altitude

Variation en fonctionde l altitude

Ballon météorologique équipé d une radiosonde

Précipitations Accumulation au solIntensité au sol

- Pluviomètre standard- Pluviomètre à augets

basculeurs

Visibilité Trajectoire au sol Transmissomètre

de 131

TurbiditéVision directe dusoleil (intensité du

soleil)

Photomètre

Rayonnementsolaire direct

Au sol(disque solaire

seulement)Pyrhéliomètre

Rayonnementglobal

Au sol (disque solaire ettotalité de la voûte

céleste)

Pyranomètre

Tableau I.1. Instruments de mesure des éléments météorologiques

1.4.2. Instruments de mesures micrométéorologiques

Dans les relevés micrométéorologiques, il peut être nécessaire d effectuer les mesuressuivantes, [37] :

1. Fluctuations latérales et verticales du vent ;2. Profils verticaux de la température et des vents dans les 50 premiers mètres au-dessus

du sol.

Fluctuation du vent

Un anémomètre ou une girouette standard fournit des indications sur l intensité desrafales de vent, mais ne peut servir à des mesures quantitatives des fluctuations latérales duvent à cause de problèmes de réponses et de dépassement. On utilise pour ce type de mesureun anémomètre tridimensionnel pour obtenir les écarts-types des fluctuations latérales etverticales du vent.

Profils verticaux du vent

Pour obtenir les profils verticaux du vent, des anémomètres sont habituellementmontés sur mât de faible diamètre à des intervalles de hauteur logarithmiques (par ex. 1, 2, 4et 8 m).

Profils verticaux de température

Pour obtenir les profils verticaux de température, des thermocouples ou desthermosondes sont montés dans des abris à des intervalles de hauteur logarithmiques.

1.4.3. Études de moyenne échelle

Pour les études de mésométéorologie, on peut devoir se servir d instruments pourmesurer les paramètres suivants :

de 131

1. Les champs de vents et de température près de la surface dans la zone étudiée ;2. La hauteur de mélange et les profils verticaux des vents et des températures dans lacouche de mélange.

La détermination de cette hauteur de mélange est déterminante quand à laconnaissance des déplacements des polluants et de leur impact sur les régions avoisinantes dela source d émission.

1.4.4. Tours et mâts équipés d’instruments

Les tours et mats (Figure 1.1) spécialement équipés d instruments sont utilisés pourétude de la diffusion des polluants dans l atmosphère.

Pour les travaux de surveillance de la pollution et de lutte contre celle-ci, les toursdevraient dépasser d au moins 50 m les sources importantes de polluants.

La mesure de la température, de l humidité et du vent se fait à plusieurs niveaux (2 ou3 au minimum). Le niveau le plus bas doit être à la même hauteur qu un abri météorologique(2 m environ), installé à proximité du mât ou de la tour. Le nombre de niveaux dépend du butet de la hauteur du mât ou de la tour.

La station de Ksar Chellala, centre de recherche en météorologie des zones arides etsemi arides, dispose d un mât métallique de 52 m. De base 4×4 m et de sommet 50×50 cm, ilest divisé en 10 paliers distants de 5m chacun. Les capteurs de mesure sont installés tous les10 m (10, 20, 30, 40 et 50 m) et posés sur des perches de 2.5 m afin de minimiser l influencede la construction métallique sur les capteurs de mesure.

Les paramètres mesurés aux différents niveaux sont :

• La température à l aide de thermosondes de platine• humidité à l aide de sondes à variation capacitive• La force et la direction du vent à l aide de capteurs optoélectroniques. Le vent

est de plus mesuré à des hauteurs de 2 et 4 m.

Fig. 1.1. Mât équipé d instruments

de 131

1.5. Facteurs déterminants de la pollution et de l’auto purification de l’air

1.5.1. Introduction

Le phénomène de pollution de l air peut être considéré comme un déversement,continu ou intermittent, d impuretés provenant des flots de gaz qui s échappent des appareils

évacuation : cheminées, orifices de ventilation, tubes d échappement ou autres sourcesaérosols et de gaz, [6].

Après leur évacuation, du fait des propriétés physiques des fluides, le flot de cespolluants se déplace et se dilue dans l atmosphère, provoquant, dans un sens favorable,

amoindrissement de leur concentration initiale, et dans un sens défavorable, l envahissementun volume de plus en plus grand de l atmosphère dans laquelle ils se déversent. En

considérant une source unique à évacuation permanente et à volume constant, uneconcentration moyenne des impuretés variant avec la distance à la source se produit dans

atmosphère environnante. Cette concentration croît ou décroît en fonction de facteursmétéorologiques qui contribuent à la dilution et à l éloignement des impuretés. Dans uncubage d air donné, limité par un certain relief du terrain et par la présence de certainsbâtiments, la concentration des impuretés dépend de ces facteurs.

Après être arrivés dans le bassin aérien, les impuretés subissent aussi destransformations chimiques, favorisées soit par des agents naturels de l air tels que l oxygèneet la vapeur d eau , soit par les radiations solaires ultra violettes, soit par d autres impuretésprésentes dans l atmosphère. Tous ces phénomènes et ces facteurs participent à l établissement d une certaineconcentration de polluants en un point du bassin aérien avoisinant l usine émettrice.

Le phénomène du déversement des polluants qui constitue la pollution a lieu par unprocessus inverse de celui de leur dilution et de leur neutralisation naturelle, l autopurification.

Les facteurs qui participent à ce processus dynamique peuvent être groupés en [20] :

§ facteurs en rapport avec la source des impuretés ;§ facteurs météorologiques ;§ facteurs topographiques.

A ceux-ci, peuvent s ajouter les réactions chimiques qui, dans la majorité des cas,déterminent la neutralisation des impuretés mais qui, dans d autres cas, donnent naissance, aumoins temporairement, à des produits nocifs, plus agressifs que ceux existant initialement.

Après leur arrivée dans l atmosphère certaines impuretés sont soumises au phénomènede sédimentation, favorisé par l absence de courants d air, la densité et la dimension desparticules. A l auto purification contribuent aussi d autres phénomènes comme la condensation et

absorption par la surface de l eau ainsi que par les objets, les plantes, les matériaux deconstruction, etc.

de 131

En réalité, dans l atmosphère des agglomérations et des régions industrielles se produitune pollution complexe, dont la nature, la concentration et l extension varient avec lesfacteurs dont elle dépend. Dans l air des rues se superposent et s amassent les impuretéssoulevées et évacuées par les véhicules auto et les installations de chauffage des habitations.De plus dans l atmosphère des villes peuvent s accumuler des évacuations d usines. On peutajouter à tout cela les impuretés provenant de la décomposition naturelle des résidus divers,[30].

Dans l air des villes, des poussières et gaz proviennent aussi fréquemment des appareilsde chauffage, installations de canalisations et préparation des aliments. Dans les habitations,la poussière se dépose continuellement sur les objets, celle-ci se trouve en suspension dans

atmosphère d une manière permanente. La poussière qui s est déposée, dans l atmosphèreune manière permanente, s élève de nouveau sous l influence de l agitation de l air et du

déplacement des objets provoqué par l homme, [16].

Le rôle des facteurs météorologiques et topographiques est d aggraver ou de diminuer lapollution, [20]. Ils se manifestent principalement dans le cas de certains emplacementsdéfavorables et de certains phénomènes météorologiques qui ne permettent pas l autopurification. Les situations les plus défavorables tiennent à l emplacement des entreprises etdes villes dans des vallées et dépressions.

En effet alors que le volume de l air dans lequel se produit la dilution des polluants estlimité, la capacité d évacuation et de diffusion est réduite par des effets défavorables desagents météorologiques, telles que la stagnation de l air et l inversion thermique.

En cas de persistance de ce calme, il arrive que les polluants ne puissent être écartés parles courants d air, mais qu ils s accumulent dans l espace au voisinage des lieux où ils sontémis. (Figure I.2)

Fig. I.2. Addition des effluents des cheminées [3]

Direction du vent

2

2- Vitesse et hauteur de la puissance portante

1- Hauteur effective de la cheminée

3

1 3- Hauteur réelle de la cheminée

de 131

1.5.2. Les sources de pollution

Les sources de pollution déterminent l existence, la nature et le niveau général depollution. Le nombre, l espèce, la densité, l emplacement et la capacité des sources sont lescaractéristiques dont dépendent d une manière fondamentale la nature et l intensité de lapollution, [3].

La liste des polluants atmosphériques est longue. Aux classiques habituels mais toujoursréels polluants tels que les poussières, le SO2, les NOx, le CO, les métaux lourds, lescomposés organiques volatils, le fluor, l'acide chlorhydrique, etc., sont venus s'ajouterprogressivement d'autres substances telles que les gaz à effet de serre : le CO2, le CH4, leN2O, les CFC, HFC, PFC et SF6 et d'autres substances telles que l'ozone, les organochlorés(dioxines et furannes), les HAP (Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques), etc.

La pollution de l air est produite par deux catégories de sources :

1) Naturelles (sols, végétaux, animaux, volcans) ;2) Artificielles (installations industrielles, moyens de transport, appareils de

chauffage des habitations).

Actuellement on reconnaît aux sources artificielles une importance prépondérante,comme étant plus proches des agglomérations, plus puissantes et plus nocives.

L évacuation des impuretés des sources artificielles se fait de deux manières :- organisée par des canaux et bouches d évacuation (cheminées, bouches de

ventilation) avec des débits et des concentrations connues, calculées, ayant unrythme ou une continuité ;

- non organisée, par échappement direct dans l atmosphère du lieu de productiondes impuretés, en quantités et débits qui ne sont ni dirigés, ni connus.

Beaucoup de catégories de résidus sont évacués dans l atmosphère, à savoir :

- les gaz résiduels provenant des processus de combustion ou d opérationstechnologiques.

- des gaz intermédiaires résultant de certaines phases des opérationstechnologiques dans les périodes d avarie, de réglage de pression par desorifices, soupapes, etc.

- des gaz de ventilation provenant d ateliers intérieurs.

Les catégories de polluants sont :

- des matières premières (charbon, argile, minerais, calcaire, etc.) ;- des impuretés provenant de matières premières (cendre, soufre et arsenic dans

industrie énergétique et métallurgique, etc.).- des substances intermédiaires produites au cours de certaines phases

opérations technologiques (gaz sulfureux dans l industrie de l acide sulfuriqueet du sulfure de carbone, hydrocarbures dans l industrie pétrochimique, diversesamines dans l industrie des colorants synthétiques, etc.).

de 131

- des produits finis (ciment, noir de fumée, chlore, acide sulfurique, etc.), dans lesindustries qui fabriquent ces substances (Tableau I.3, page 27).

1.5.3. Échelles spatiales et temporelles des phénomènes de pollution

Les applications de la météorologie au problème de la pollution de l air, problèmedont l importance s accroît sans cesse, imposent d envisager la question en fonction de

échelle de dispersion des polluants en cause.

Schématiquement, la pollution en un point donné est la résultante de phénomènesrelatifs à trois échelles, [41] :

• L'échelle locale, constituée des sources situées dans l'environnement immédiat(périmètre de quelques kilomètres) qui, en fonction des circonstances météorologiqueslocales, influencent plus ou moins directement la qualité de l'air en ce point. Ce sontles phénomènes relatifs à cette échelle qui sont le plus souvent responsables desvariations rapides et de forte amplitude des concentrations en polluants.

• L'échelle régionale, couvrant un périmètre de quelques dizaines de kilomètres autourdu point. Les sources situées dans ce périmètre ont une influence relativement diffuse,qui se matérialise par des variations de concentrations en polluants généralementlentes et amorties.

• L'échelle continentale, s'étendant de plusieurs centaines à plusieurs milliers dekilomètres. Ce que l'on appelle le transport à longue distance des polluants peutcontribuer de manière sensible aux teneurs mesurées. Ceci explique que l'on puissetrouver une pollution en des points éloignés de toutes sources même modestes. Cetapport contribue largement à ce que l'on appelle la pollution de fond (background).

De manière générale, la proximité des sources entraîne le caractère instantané de laperception au point considéré. Il faut cependant remarquer que la part relative aux troisniveaux décrits ci-dessus n'est pas constante et peut varier dans le temps, notamment enfonction du polluant considéré et des circonstances micro- et macro météorologiques.

L'exemple d'un point situé en zone urbaine permet d'illustrer ces considérations.

Les teneurs en CO et NO y sont, en fonction de la nature des sources (trafic), quasiexclusivement dépendantes de circonstances locale, intensité de la circulation, météo, etc.

La situation est différente pour le SO2 pour lequel on peut trouver des influencessituées aux trois échelles. L'échelle locale avec, par exemple, le chauffage domestique,l'échelle régionale et l'échelle continentale avec d'importantes sources industrielles situées àdes distances plus ou moins grande.

Les parts relatives de ces trois échelles seront déterminées par l'importance desémissions des différentes sources et par les circonstances météorologiques (température,inversions de température, direction et vitesse du vent).

L'occurrence d'une augmentation importante de la pollution au point considéré peutêtre le résultat de phénomènes jouant sur une ou plusieurs échelles.

de 131

A chaque échelle correspond une pollution bien spécifique. On distingue ainsi despollutions de petite ou de grande échelle, de court ou de long terme. Ces caractéristiquesdépendent de la cause de la pollution et des conditions météorologiques, [35].

Le tableau ci-après résume les phénomènes de pollution atmosphérique habituellementclassés par échelles géographiques.

Tableau I.2. Les échelles de la pollution

Échelles Origine Composésprincipaux

Portéedans

le tempsEffets Phénomènes

météo associés

Échappementautomobile devoie àcirculationintense ouencombrée

NO, NO2, COComposésorganiquesimbrûlés(gaz et particules)

Temps localstable et ventfaible

Incinérationsauvage,chauffagedomestiqueaveccombustibleimpropre oucombustionincomplète

Composésorganiquesimbrûlés(gaz et particules)

Temps localstable et ventfaible

Pollutionde proximité

Panache defuméeindustrielle

SO2, métauxlourds

Minutesou

heures

Êtresvivants,matériauxet sols

Temps stableou vent établidans directiondominante

Transport depollution à

échelle dequartier

NO, NO2, COcomp. org.Imbrûlés(gaz et particules)

Vent établidans directiondominante

Pollutionurbaine Résultante des

pollutionsprécédentesà l échelle degrandes

NO, NO2, COcomp. org.Imbrûlés(gaz et particules)

Heuresou

jours


Îlot de chaleururbain etinversion detempérature(dôme depollutionurbaine et effetde fond devallée)

PollutionPériurbaine

Transformationphotochimiquede la pollutionautomobile

origineurbaine

O3, PANHeures

oujours


Temps chaudet ensoleillé

de 131

1.6. Météorologie de la pollution atmosphérique

1.6.1. Diagramme

Un diagramme schématique du déplacement des polluants atmosphériques entre lessources de pollution et les milieux récepteurs est donné à la figure 1.3. Les différentes étapesà prendre en considération sont les suivantes, [36] :

1. Les émissions2. Le comportement initial des polluants dans l atmosphère (montée en panache,

rabattement, etc.)3. Processus atmosphériques (transport, diffusion, et transformations chimiques et

physiques)4. Dépôts humides et secs5. Impact sur le milieu récepteur6. Impact sur le climat

H2SO4

Fig. I.3. Représentation schématique du déplacement des polluants atmosphériques entre la source et le milieu récepteur.

1.6.2. Émissions

L inventaire des émissions contient un relevé des vitesses de production des polluantspour une ville, une région, un continent ou l ensemble de la planète. Les inventaires desémissions de sources naturelles sont, dans bien des cas, très imprécis. Les inventaires depolluants anthropiques sont dressés directement au moyen d une surveillance des sourcestypiques et, indirectement, à l aide des données sur les ventes de carburant automobile, laconsommation de gaz naturel et l utilisation d électricité, [13].

1.6.3. Comportement initial des polluants dans l’atmosphère La nature des émissions et la « géométrie » de la situation comptent pour beaucoupdans le comportement initial d un polluant. On rencontre plusieurs cas, dont les suivants,[19] :

Pluies

SoleilTransformations

Vent, turbulence,état thermique

TransportDispersion

Immissions

Dépositionssèches

Dépositionshumides

Émissions

Polluants primaires

SO2

Humidité

O3SO3

HC

HCNOxCO

de 131

1. Émissions de sources ponctuelles ;

2. Émissions de sources diffuses (p. ex. nombreuses petites émissions appeléesquelques fois émissions fugitives d une grosse usine ou d un îlot d habitation dansune ville)

3. Émissions sous pression, c est-à-dire ayant une vitesse de sortie

4. Émissions de gaz chauffés (et donc flottants)

5. Émissions de gaz lourds et de grosses particules

6. Émissions contenant des gouttelettes, qui s évaporent par la suite et refroidissent lepanache, ce qui le fait tomber

7. Émissions de véhicules en mouvement

8. Émissions d un évent situé dans le sillage d un édifice ou dans un endroit où leseffets aérodynamiques, attribuables à la géométrie locale, peuvent être importants

1.6.4. Transport et diffusion dans l’atmosphère Lorsque l effluent d une cheminée perd sa densité propre, il se déplace dans ladirection du vent (axe des abscisses), s étire dans cette direction (figure I.4) et se diffuselatéralement (axe des y) et verticalement (axe des x). Les principales variables qui permettentde prévoir la concentration au niveau du sol à quelques kilomètres d une source sont ladirection et la vitesse du vent ainsi que la structure de la turbulence dans les axes y et x.

Fig.I.4. Plus la vitesse est grande, plus le volume d air qui passe au-dessus de la cheminée par unité de temps est important et plus l effluent est dilué (Gifford, 1959) [36]

L incapacité relative de l atmosphère à disperser les contaminants est appelée lepotentiel de pollution, [36]. Des vents légers et une inversion de rayonnement indiquent un

Vent faible Vent fort

de 131

fort potentiel de pollution pour de sources situées au sol. Le potentiel de potentiel varieénormément d une journée et d un endroit à l autre.

En milieu rural, par beau temps, on observe un cycle quotidien bien défini (figure I.5).Peu après le lever du soleil, une couche superficielle bien mélangée se forme et prend de

expansion vers le haut pour atteindre un maximum vers le milieu de l après-midi. La hauteurde mélange, qui varie de moins de 1 kilomètre à plusieurs kilomètres en épaisseur, a uneimportance particulière dans la limitation de la diffusion verticale des polluants.

La hauteur de mélange correspond à l'épaisseur de la couche atmosphérique près dusol dans laquelle les polluants peuvent se disperser en quelques heures. Deux principauxmécanismes permettent aux polluants de se disperser rapidement dans la verticale : laturbulence thermique et la turbulence mécanique.

La turbulence thermique se produit lorsque l'air est moins dense près du sol, parexemple lors d'une journée ensoleillée et chaude. La turbulence mécanique est due à lavariation verticale du vent et elle augmente lorsque les vents sont forts et que la surface du solest rugueuse.

Fig. I.5. Représentation schématique de la structure de la basse troposphèrepar beau temps (Munn et Bolin, 1971), [36]

TROPOSHERE MOYENNE ET SUPERIEURE

COUCHE DEMELANGE

TURBULENCE DEFAIBLEINTENSITE

INVERSION INVERSION

COUCHE DEMELANGE

COUCHE DEMELANGE

COUCHE DEMELANGE

TURBULENCE DEFORTEINTENSITE

TURBULENCE DEFAIBLEINTENSITE

TURBULENCE DEFORTEINTENSITE

MINUIT MIDI MINUIT MIDI

Temps

de 131

1.6.5. Le transport global des polluants de la troposphère vers la stratosphère

A priori, les échanges tropo-stratosphère sont limités car la stratosphère est trèsstratifiée et donc difficile à pénétrer. Cependant, il existe un chemin d'accès privilégié pourl'air troposphérique : c'est celui des tours convectives équatoriales qui permettent à de l'airtroposphérique de monter dans la stratosphère, [57].

C'est principalement ainsi que les polluants tels que les CFC passent de latroposphère dans la stratosphère. Dans la troposphère, moins stratifiée et aux mouvementsméridiens plus importants que la stratosphère, les polluants émis aux latitudes tempérées seretrouvent facilement en quelques dizaines de jours à l'Équateur puis peuvent passer dans lastratosphère.

Une fois qu'ils sont dans la stratosphère, ils mettront beaucoup plus de temps àatteindre le pôle car les mouvements méridiens sont beaucoup plus faibles dans lastratosphère. Cela prendra plusieurs mois.

Concernant la dispersion des aérosols volcaniques du Pinatubo (Philippines), leuraccès dans la stratosphère est très différent car lors d'éruptions volcaniques, ces particulespénètrent très facilement dans la stratosphère jusqu'à des altitudes considérables. Lorsd'éruptions volcaniques, il y a éjection de particules avec 2 caractéristiques :

1- une éjection avec une vitesse initiale élevée 2- une éjection de particules ayant une température élevée

Ces 2 paramètres permettent aux particules d'atteindre des altitudes considérables carentraînement vers le haut des particules est facilité.

Une fois que les aérosols sont dans la stratosphère, ils vont s'étendre en longitudemais peu en latitude car les mouvements méridiens stratosphériques sont faibles. Lespoussières émises par les volcans tropicaux mettent environ 3 semaines pour se répandre dansla bande intertropicale mais 6 à 7mois pour atteindre les hautes latitudes.

1.7. Les modèles de dispersion des polluants

1.7.1. Introduction :

Il est important de réaliser que l'examen des émissions à la source ne constitue qu'uneétape vers l'analyse des impacts environnementaux associés aux polluants. Ces informationsdoivent ensuite alimenter des modèles plus spécialisés analysant la dispersionatmosphérique des polluants et leur concentration sur le territoire en fonction du temps, eten particulier la recherche d'épisodes critiques ou d'épisodes de dépassement des normes.De tels modèles nécessitent l'analyse intégrée des polluants provenant de toutes sources(résidentielles, industrielles, anthropiques, etc.) lesquels interagissent entre eux et subissentdes réactions physico-chimiques et photochimiques, [10].

La modélisation de la pollution de l air est la représentation simplifiée desphénomènes physiques décrivant le transport et la diffusion des polluants dans l air, [2].

de 131

Une analyse complète requiert aussi la mesure du degré d'exposition réelle despopulations et finalement l'estimation des incidences sur la santé.

Les prévisions établies et les cartographies de la qualité de l'air diffusées, à travers denombreux pays, sont le résultat de simulations numériques effectuées à l'aide de modèlesdéterministes dits de chimie-transport qui permettent, pour des périodes de temps allant dequelques jours à plusieurs mois, de calculer l'évolution de la pollution photo-oxydante etparticulaire dans les basses couches de l'atmosphère, à différentes échelles spatiales, [53].

Les principaux modèles utilisés actuellement sont au nombre de trois et sontsommairement présentés ci-après avec leurs avantages et leurs défauts, [1].

1.7.2. L’approche gaussienne

est la méthode la plus ancienne et la plus utilisée pendant longtemps pour desraisons de capacité limitée des ordinateurs. Les modèles gaussiens fournissent des résultatscompétitifs par rapport à des modèles plus sophistiqués sur des terrains sans relief important.Par ailleurs, ils ont l avantage de ne demander que peu de données. Parmi ces données,figurent pour la plupart des modèles la direction et la vitesse de vent ainsi que la stabilité.

Elle permet d obtenir des résultats assez précis à condition de respecter certaineshypothèses : densité du polluant proche de celle de l air, homogénéité horizontale, champ devent constant dans l espace et dans le temps, composante verticale du vent négligeable,diffusion dans le sens du vent négligeable devant le transport, régime permanentinstantanément atteint. De plus cette méthode n est valable que pour des sources ponctuelles.

1.7.3. L’approche lagrangienne

Les modèles lagrangiens décrivent les éléments du fluide dans leur mouvement. Ilsregroupent tous les modèles pour lesquels les panaches sont décrits par le déplacement

éléments qu on suit dans leur mouvement : modèles à bouffées, modèles particulaires.

Les modèles à bouffées sont utilisables dans des conditions de turbulence homogène,si la densité du polluant est proche de celle du vent et lorsque la composante verticale du ventest négligeable. Ils sont plus perfectionnés que les modèles gaussiens car ils prennent encompte les modifications du champ de vent tridimensionnel.

Les modèles particulaires calculent la trajectoire de plusieurs milliers de particules demanière indépendante. L avantage de cette approche est de pouvoir suivre chaque particuleavec ses coordonnées (on peut ainsi, en un point, connaître l influence de chaque source depolluant et pas seulement la concentration de celui-ci). Cependant, la quantité de calculs estélevée, ce qui restreint l utilisation de cette méthode.

1.7.4. L’approche eulérienne

Les modèles eulériens découpent l espace en « boîtes » et calculent la composition dechacune de ces boîtes à chaque pas de temps en déterminant la diffusion des polluants entreces boîtes.

de 131

Tableau I.3. Classification des sources de polluants de l air, [3]

Catégorie Source Processus générateur depollution

Agents polluants

Le sol Fuites éoliennes, climatiques,décomposition de résidus

origine animales ouvégétales(cadavres, déjections, etc.)

Particules minérales d argiles,oxydes métalliques, silice,particules organiques de naturevégétale et animales, gaz (CO2, H2S,NH3, substances odorantescomplexes)

Les plantes Production et émission departicules

Graines de pollen, spores demoisissures et levures

Sourcesnaturelles

Les volcans Éruptions, émanations Particules, gaz, vapeurs

Les usinesthermo

énergétiques

Transport, dépôt, préparationdes combustibles, surtout ceuxavec des impuretésincombustibles

Poussières de charbon, cendres,fumée et certaines impuretés solides,toxiques, composée s de : As, F,etc., gaz (CO2, CO, SO2, NOx, SO3,H2S) Hydrocarbures polycycliques

Les combinatssidérurgiques

Combustion, transport, dépôt,préparation, fusion et raffinagedu minerai et du métal,combinaisons ou alliages avec

autres métaux

Poussières de minerai, poudres deFer et oxyde de fer, SO2, Mn,phénols gaz (CO2, CO, SO2, H2S)hydrocarbures polycycliques

Les usines de lamétallurgie non

ferreuse

Préparation, fonte et raffinagedu minerai des métaux nonferreux, combinaisons oualliages, fusion et coulée

Poussières, vapeurs et oxydesmétalliques de : Pb, Zn, Cu, Be, As,Sn, Cd, Hg

Sourcesartificiellesindustrielles

Fabriques deciment

Transport, dépôt, préparation des matières premières, combustion et broyage du clinker, mise en sacs et transport du ciment

Poussières de matières premières,combustibles, matériaux et cimentcontenant parfois : F, SiO2, etc.

de 131


Agents polluants

Autres fabriquesde matériaux de

construction

Calcaire,magnésie, gypse,verre, amiante,céramique baryte, briques,matériauxréfractaires, etc.

Transport, broyage, fabrication,combustion

Poussières toxiques ou non toxiques,fibrogènes, cancérigènes, etc.(alcalis, F, SiO2, amiante)

Usineschimiquesinorganiques

Production des acides(chlorhydrique, phosphorique,azotique, sulfurique), chlore,alcalis (hydroxyde de Na, de K,ammoniaque), engraisminéraux (azotates etphosphates), fibre de viscose

Évacuation de gaz (SO2, SO3, NOx,Cl, HF, CS2, H2S), vapeurs (HCl,NO3H, NH3), particules (fluorures,poudres non toxiques)

Usineschimiquesorganiques :- colorants- produitschimicopharmaceutiquespesticides- détergents- noir de fumée- caoutchouc

Raffinage du pétrole etobtention de produits dupétrole. Réactions et travauxchimiques variés, dépôt,transport

Vapeurs, gaz, particules(hydrocarbures solvants, éthers,alcools, phénols, mercaptans, noir defumée, etc.)

Usines de papieret cellulose

Transport, broyage, productionde pâtes, blanchissage

Poudre, SO2, Cl, mercaptans


(suite)

Industriesalimentaires etproduits animaux(peausseries)

Transport, dépôt, travail desmatières premières,intermédiaires et finies

Particules, substances odorantes

de 131


Agents polluants

Autres fabriquesde matériaux deconstruction

Calcaire,magnésie, gypse,verre, amiante,céramique baryte, briques,matériauxréfractaires, etc.

Transport, broyage, fabrication,combustion

Poussières toxiques ou non toxiques,fibrogènes, cancérigènes, etc.(alcalis, F, SiO2, amiante)

Usineschimiquesinorganiques

Production des acides(chlorhydrique, phosphorique,azotique, sulfurique), chlore,alcalis (hydroxyde de Na, de K,ammoniaque), engraisminéraux (azotates etphosphates), fibre de viscose

Évacuation de gaz (SO2, SO3, NOx,Cl, HF, CS2, H2S), vapeurs (HCl,NO3H, NH3), particules (fluorures,poudres non toxiques)

Usineschimiquesorganiques :- colorants- produitschimicopharmaceutiquespesticides- détergents- noir de fumée- caoutchouc

Raffinage du pétrole etobtention de produits dupétrole. Réactions et travauxchimiques variés, dépôt,transport

Vapeurs, gaz, particules(hydrocarbures solvants, éthers,alcools, phénols, mercaptans, noir defumée, etc.)

Usines de papieret cellulose

Transport, broyage, productionde pâtes, blanchissage

Poudre, SO2, Cl, mercaptans


(suite)

Industriesalimentaires etproduits animaux(peausseries)

Transport, dépôt, travail desmatières premières,intermédiaires et finies

Particules, substances odorantes

de 131

CHAPITRE 2

LA MÉTÉOROLOGIE ET LA POLLUTION DE L'AIR

2.1 IntroductionLa pollution atmosphérique n est pas un phénomène nouveau. Depuis la révolution

industrielle du 19ème siècle, caractérisée par une utilisation massive des combustibles fossiles,un certain nombre d épisodes tragiques ont marqué l histoire. Un des plus célèbres est celuidu smog de Londres de 1952 (smog est la contraction de smoke et de fog). Une augmentationbrutale des concentrations de dioxyde de soufre due à des conditions météorologiquesparticulièrement stagnantes, causa près de 4000 morts [Brimblecombe, 1987], [7]. Dans le passé, le but de la météorologie consistait principalement à étudier la physiqueet la dynamique de l atmosphère. Cela se comprend aisément étant donné que l état physiquede l atmosphère et son aspect dynamique exercent une influence directe, non seulement surnotre vie quotidienne, mais également sur des activités humaines aussi importantes que laproduction agricole, les transports aériens, terrestres et maritimes, [33]. Les résultats de récentes recherches ont fait apparaître que l étude de l atmosphèredevait aussi s appuyer sur la chimie, car sa physique, sa dynamique et en définitive le climat,dépendent tous de la composition chimique de l atmosphère. Les transferts par rayonnement

ondes courtes et d ondes longues, qui déterminent le bilan radiatif, sont fonction en fait dela nature des molécules gazeuses et des particules en suspension (aérosols) présentes dans

atmosphère. En outre, dans les nuages, les particules agissent comme noyaux decondensation et noyau de congélation. L activité de ces particules dépend à la fois de leurscaractéristiques physiques et de leur composition chimique. C est ainsi que les particules ensuspension exercent une forte influence, non seulement sur la répartition des précipitations,mais également sur l étendue de la couverture nuageuse et par conséquent, sur l albédoplanétaire de la terre. Enfin la visibilité, l un des paramètres atmosphériques les plusimportants pour l aviation et la navigation, dépend directement de la nature des particules, ycompris de leur composition chimique, [44]. Une autre raison importante de s intéresser à la chimie atmosphérique réside dans lefait que les gaz et les particules atmosphériques font l objet d un échange permanent avec lesplantes, le sol et les surfaces d eau de la terre. Certains éléments constitutifs de l atmosphèresont produits à la surface de la Terre (sources) alors que d autres y sont absorbés (puits). Unexemple bien connu est la photosynthèse : les plantes rejettent l oxygène dans l air etconsomment le dioxyde de carbone. Ces flux de matière entrant et sortant de l atmosphèrefont partie des échanges planétaires des composants de la nature, connus sous le nom decycles biogéochimiques, [24]. Il découle de cette courte présentation que les altérations de la compositionatmosphérique, occasionnées par l homme, peuvent modifier le climat de notre planète et/oules cycles biogéochimiques. De telles modifications peuvent être provoquées par la pollutionatmosphérique due aux activités humaines. Un exemple bien connu et préoccupant est

accroissement de la concentration du dioxyde de carbone dans l air qui se confirme de plusen plus et donne lieu à des variations climatiques en raison de ce qui est appelé effet de serre.Par ailleurs, un des changements les plus angoissants concernant les cycles biogéochimiquesest l acidification des dépôts atmosphériques (pluie acide) causée par les émissions dedioxyde de soufre et d oxyde d azote provenant des combustibles fossiles alimentant lescentrales électriques, les chauffages domestiques et les moteurs des automobiles. Selon la

de 131

sensibilité des sols, des nappes phréatiques et des lacs, cette acidification peut provoquer desdégâts graves dans les écosystèmes terrestres et aquatiques. Le rôle joué par la pollution de l air, dans les modifications de la composition de

atmosphère et dans l altération du climat et de l environnement, démontre donc la nécessitéd’étendre les observations météorologiques en tenant compte des paramètres chimiques,[50]. Cette exigence rend le travail des observateurs météorologiques plus difficile, car lesmesures chimiques sont en général plus compliquées à effectuer que les observationsmétéorologiques classiques. Dans la majorité des cas, la composition de l air et celle desprécipitations sont mesurées en deux étapes distinctes. La première consiste à prélever unéchantillon d air et des précipitations ; la seconde réside dans l analyse physique et chimiquede l échantillon. Le prélèvement de l échantillon est réalisé à la station même, alors que lesanalyses chimiques sont effectuées dans des laboratoires spécialisés.

2.2 Les facteurs d’influence météorologiques

Deux paramètres météorologiques sont d une première importance dans le contrôle duniveau de pollution dans une ville. Pour une série de contrôles constants, le niveau depollution dépendra de la variation verticale de la température, de la direction et de la force desvents de bas niveau (Neiburger, 1969), [9].

exploration des effets particuliers de la vitesse du vent, de la direction du vent et dugradient thermique vertical sur les émissions des cheminées (panaches) permet de comprendrela relation directe entre les conditions climatiques et la migration et le comportement despolluants atmosphériques. À l'aide d'observations qualitatives et quantitatives, il est possible

établir une relation entre ces données et leur observation des émissions des cheminées.

La pollution de l'air a des répercussions à l'échelle de la localité, de la région, ducontinent et du monde. À divers niveaux (les grands systèmes climatiques, les effets des lacsou de la topographie sur les conditions régionales, les vents et les effets de brassage à l'échellelocale), les facteurs météorologiques exercent une forte influence sur la dispersion et laconcentration des polluants dans l'atmosphère, [5].

Si la qualité de l'air dépend principalement de l'émission de substances polluantes pardifférentes sources (industries, transports, sources tertiaires et domestiques), elle dépendaussi des conditions météorologiques. La topographie d'un site, la climatologie(température, rayonnement, vitesse et direction du vent, pression atmosphérique, etc.)influencent le transport, la transformation et le dispersion des polluants. Nous distinguerons

une part l influence des paramètres météorologiques et les facteurs aggravants d autre part,[40], [54].

2.2.1. L’influence des éléments météorologiques :

• La direction, la vitesse, la turbulence et la stabilité des vents ont des effets sur le transport, la dilution et la dispersion des polluants. Le vent est favorable à la dispersion despolluants, notamment à partir de 20 km/h. Toutefois, il peut également amener desmasses d air contenant des polluants en provenance d autres sources. Lorsqu il est defaible vitesse, ces phénomènes de transport accompagné d accumulation, est courant.

• La température agit sur la chimie des polluants : le froid diminue la volatilité decertains gaz tandis que la chaleur estivale est favorable à la formation photochimique

de 131

de l'ozone. La température a un effet sur la vitesse de déplacement et de réaction desmolécules. Plus la température est élevée, plus les molécules ont de chances d entreren collision puisqu elles se déplacent plus rapidement. De même, plus la températureest élevée, plus les collisions produisent de réactions. Autrement dit, une hausse de latempérature accroît la vitesse de réaction des polluants de l air.

• La pression dans le cas de situations dépressionnaires (basses pressions)correspondent généralement à une turbulence de l'air assez forte et donc de bonnesconditions de dispersion. En revanche, des situations anticycloniques (hautespressions) où la stabilité de l'air ne permet pas la dispersion des polluants entraînentdes épisodes de pollution.

• La turbulence de l air crée des tourbillons de mélange d autant plus grands que lavitesse du mouvement de l air est plus grande.

• La pluie lave l'atmosphère des particules et des gaz, pour ensuite les déposer sur le solet dans l'eau; Les précipitations sont généralement associées à une atmosphèreinstable, qui permet également une bonne dispersion de la pollution atmosphérique.Elles peuvent parfois accélérer la dissolution de certains polluants. Mais, globalement,les concentrations en polluants dans l'atmosphère diminuent nettement par temps depluie notamment pour les poussières et les éléments solubles tel que le dioxyde desoufre (SO2).

• humidité est souvent un facteur déterminant de l'effet des polluants sur les biens, lavégétation et la santé.

• Les nuages de par l existence d un plafond peu élevé créent un espace fermé danslequel la dilution des impuretés ne se produit plus dans des conditions satisfaisantes.

• La lumière du soleil est un élément essentiel de la production photochimique desoxydants qui forment le smog.

2.2.2. Les facteurs aggravants

• La couche d'inversion

En situation normale, la température de l'air diminue avec l'altitude, environ 1° C tous les100 mètres. (Figure II.1.a.) Quand l'air chaud s'élève dans les couches supérieures plusfroides, il entraîne avec lui les polluants qui sont ainsi dispersés verticalement (principe de lamontgolfière).

Les inversions de température sont des cas particuliers ; l'atmosphère, au lieu de serefroidir avec l'altitude, se réchauffe jusqu'à un certain niveau appelé niveau d'inversion.(Figure II.1.b). A ce niveau se forme une couche d'air plus chaude qu'on appelle couched'inversion.

Les substances provenant des chauffages, des industries et du trafic automobile,s'accumulent sous la couche d'inversion qui forme un « couvercle » empêchant les polluantsde se disperser, il n'y a plus de brassage vertical. Si le vent est faible, la concentration despolluants peut alors augmenter très rapidement

de 131

Fig. II.1.a. Situation normale Fig. II.1.b. Inversion de température

L'inversion de température est un phénomène naturel qui habituellement n'engendre pasde conséquences néfastes. Cependant, si une inversion se produit dans une grande villepolluée, cela peut avoir des effets désastreux. A Londres en 1952 une couche d'inversion aduré 9 jours. En 4 jours seulement, plus de 4 000 personnes en sont mortes, [7].

• Brise de mer et brise de terre

Ce phénomène généré par le contraste thermique existant entre la terre et la mer a lieusurtout l'été et est particulièrement favorable à la formation de l'ozone.

- La nuit, la terre se refroidit beaucoup plus rapidement que la mer. La nuit et tôt lematin, se forme alors une brise soufflant de la terre vers la mer : la brise de terre.Afin de combler la baisse de pression au-dessus la mer, l'air au dessus du sol se déplace versla mer. La nuit, l'eau plus chaude réchauffe l'air qui est en contact. L'air amorce unmouvement vers le haut.

Le matin, les polluants primaires tels que le CO, les NOx et les COV, émis parl'activité économique d'une agglomération, sont déplacés en mer par la brise de terre. - Le jour, la terre se réchauffe beaucoup plus rapidement que la mer, un phénomèned'ascendance généralisé s'établit sur la terre, compensé par un appel d'air maritime : la brisede mer.

Le soleil réchauffe le sol, l'air chaud monte et crée une baisse de pression. Afin decombler l'air qui monte, l'air plus frais au-dessus de la mer se déplace vers la terre.

de 131

Les polluants sont ensuite transformés sous l'action du soleil en ozone qui est rabattul'après midi vers la terre par l'effet de brise de mer.

2.3. L’importance de la direction et de la vitesse du vent

2.3.1. La direction du vent

La direction du vent est toujours donnée par la direction d'origine du vent. Lespolluants se déplacent donc dans la direction opposée. Quand on choisit l'emplacement d'uneusine et qu'on essaie de prévoir les risques de pollution, il faut prendre en compte lapersistance des vents. À cause de facteurs topologiques, la présence d'une vallée par exemple,les vents pourraient souffler beaucoup plus souvent dans une direction que dans l'autre. Il estdonc à déconseiller d'établir une industrie polluante au fond d'une vallée.

Le déplacement horizontal est variable, aussi bien comme direction que commeintensité, particulièrement dans les zones à climat tempéré. Cependant chaque pont du solpossède une certaine périodicité en ce qui concerne les vents ; elle se caractérise par

existence d un vent dominant désigné par la direction à partir de laquelle le mouvement deair se produit le plus souvent au cours de l année.

Ceci s établit par des enregistrements météorologiques systématiques de la directiondu vent et par la représentation graphique sous forme de rose des vents (Fig.II.2.a).

ordinaire les enregistrements sont effectués pendant plusieurs années pour en tirer unemoyenne annuelle.

En dehors de la rose des vents annuelle, la rose des vents pour des intervalles de tempsplus courts (trimestre ou mois) a aussi une importance ; elle permet de mettre en évidence unedirection dominante à peu près exclusive. Son importance est très caractéristique pendant lespériodes de temps où l auto purification est réduite (les mois d automne et d hiver), [3].

En dehors également de la rose des vents proprement dite, certains auteurs ont utiliséla rose de pollution (Fig.II.2.b) construite d après des observations et relevés faits non paspour la direction d où vient le vent, mais pour la direction vers laquelle il souffle à partir dulieu de l enregistrement et de la source de pollution, [3].

Ainsi le graphique constitué comme rose de pollution représente l image retournéevue dans une glace de la rose des vents (fig. II.2)

de 131

Fig. II.2.a. La rose des vents [3] Fig. II.2b. La rose de pollution [3]

La connaissance de la direction à fréquence minimum permet un choix judicieux quantà l emplacement des sources d impuretés et à les éloigner le plus possible des localitésavoisinantes.

Application : détermination de la rose des vents d Oran (Période 1990-1999) à l aidedu logiciel Microcal Origin 6.00

Annuel Nombre d observations = 29 210

Directiondu vent

Classes de vitesses du vent (m/s)

01-05 06-10 11-15 16

Pourcentagepar direction

N 9.73 9.37 0.16 0.00 19.26NE 8.82 2.33 0.10 0.00 11.25E 6.79 1.54 0.02 0.00 8.35

SE 1.31 0.08 0.00 0.00 3.97S 3.83 0.14 0.01 0.00 15.79

SW 10.95 4.55 0.28 0.01 15.79W 9.09 7.80 1.54 0.13 18.56

NW 1.83 0.76 0.08 0.01 2.67Calme 18.65

Variable 0.00

Total 52.34 26.56 2.19 0.16 99.90

Station d’Oran Es-Sénia

Altitude : 90 m

Latitude : 35°38 N

Longitude : 00°36 W

de 131

Fig. II.3.a. La rose des vents d Oran Fig. II.3.b. La rose de pollution d Oran

2.3.2. La vitesse du vent

La vitesse résulte du déplacement des masses d air et dilue continuellement lapollution libérée au point d émission. Une absence de vent contribuera donc à l accumulationdes polluants près des sources. Sa vitesse augmente généralement avec l altitude. On utilisecouramment un profil puissance pour décrire cette augmentation dans la CLA. La formuleempirique utilisée par de nombreux organismes de recherche dont l EPA (EnvironnementalProtection Agency, USA) est, [29]:

UZ=UA (Z/ZA) P (II.1)

(Avec U la vitesse du vent à l altitude Z ou ZA et P un exposant fonction de la stabilitéatmosphérique)

P est compris entre 0.05 (Atmosphère stable -classe A- et rugosité de 0.01 m) et 0.69(atmosphère instable -classe F- et rugosité de 3 m).

Cette formule est valable dans la couche limite de surface (CLS) qui est définiecomme les premières dizaines de mètres de l atmosphère. Pour les approches plussophistiquées, il est utilisé la formulation de Monin-Obukhov :

La vitesse du vent détermine le temps que prennent les polluants pour voyager de leurpoint d'émission à leur point de chute. Elle a aussi un effet sur le taux de dilution. Ainsi, plusla vitesse du vent est grande, plus les polluants se diluent dans l'air et moins leurconcentration est élevée. Ce n'est toutefois pas le cas quand la source de pollution est unezone poussiéreuse ou un tas de matériel. Dans ce cas, un vent plus fort soulève davantage depoussière dans l'air. De plus, l'effet de dilution ne réduit pas nécessairement la concentrationdes polluants émis par une cheminée haute. Dans ce cas, l'augmentation de la vitesse du vent apour effet de pousser le panache de fumée vers le sol. La figure II.4 illustre la relation entre lavitesse du vent et le comportement du panache de fumée.

.

N N

de 131

Fig. II.4. Effet de la vitesse du vent sur le comportement d'un panache de fumée [36]

La vitesse du vent est très variable. Les turbulences d'origine mécanique créées par lesaccidents de terrain sont l'une des principales causes de cette variation. Plus le sol estaccidenté, plus les turbulences d'origine mécanique sont importantes. Ces turbulences influentsur le déplacement des polluants. On peut constater ce phénomène en observant lecomportement des panaches de fumée. Pour éviter que les édifices et les accidents de terrainaffectent les panaches de polluants, il faut que les cheminées aient une certaine hauteur. Lafigure II.4 illustre l'effet de rabattement des édifices sur le déplacement de l'air.

Fig. II.5. Effet de rabattement d'un édifice [36]

Également, plus la vitesse du vent au sol est grande, plus il y a de turbulences. Il peutaussi y avoir des turbulences thermiques. Quand le sol se réchauffe, les couches inférieuresdeviennent instables et il se produit un phénomène de convection. Les turbulences thermiquessont plus importantes les jours de soleil et de vent léger. La nuit, quand le ciel est dégagé etque le vent est léger, le sol et les couches d'air qui en sont rapprochées refroidissent, créantainsi une couche stable. La turbulence est alors réduite au minimum et l'atmosphère estrelativement stable.

2.4.1. Autres facteurs déterminants de la pollution

2.4.1. La température de l’air

Les mouvements des masses d air sont dus aux différences de densité entre elles. Lesdensités sont aussi influencées par la température des masses d air. Le gradient detempérature conditionne ainsi le mouvement ascendant ou descendant d une couche ou

absence de celui-ci.

de 131

La température de l air diminue généralement avec l altitude de 1°C tous les 100 m.Cette configuration favorise la dispersion des polluants. Si la température augmente avec

altitude, on parle d inversion de température ou inversion thermique. Autrement dit, les conditions normales sont inversées.

Fig. II.6. Variation de la température selon l altitude [14]

Les inversions de température sont des cas particuliers où la stabilité de l'air estparticulièrement importante puisque l'atmosphère, au lieu de se refroidir avec l'altitude seréchauffe jusqu'à un certain niveau appelé niveau d'inversion. Ce niveau représente unediscontinuité thermique qui bloque toute possibilité d'échange vertical. En cas d'inversionthermique, les polluants sont bloqués dans les basses couches de l'atmosphère. Les inversionsde température sont caractérisées par le niveau auquel se situent l'inversion et la différence detempérature existant de part et d'autre du niveau d'inversion.

Plus l'inversion est basse, plus les polluants se concentrent dans les basses couches del'atmosphère. Les inversions de rayonnement correspondent au refroidissement nocturne dusol. Elles peuvent être observées tout au long de l'année par des nuits dites radiatives, c'est-à-dire sans nuages avec un effet de serre limité. En hiver, le réchauffement diurne n'est pastoujours suffisant pour faire disparaître cette inversion de basse couche qui a tendance às'affirmer au fil des jours au cours de la persistance de longs épisodes froids.

Le gradient vertical de température est également utilisé pour définir la stabilité deatmosphère. Si la température décroît trop rapidement, l atmosphère est instable, ce qui

favorise la dispersion des polluants. Une inversion thermique conduira au contraire à de fortsniveaux de pollution. Cette inversion peut se produire la nuit quand le sol refroidit rapidementainsi que l hiver par temps clair. L absence de vent en général favorise l apparition d uneinversion thermique.

de 131

Fig. II.7. Phénomène de diffusion normale

Fig. II.8. Phénomène d inversion de température

2.4.2. La turbulence

agitation et le mélange des différentes portions des masses d air ayant des caractèresdifférents, sous forme de tourbillons qui s interpénètrent, ont été nommés turbulence. Cephénomène est le résultat de certains processus mécaniques complexes provoqués par desdifférences de température, mouvement et frottement. La diffusion et la dilution des polluantsdans la masse d air se réalisent sous son influence d autant plus rapidement que la turbulenceest plus grande. La turbulence est proportionnelle à la vitesse du vent, compte tenu de

existence des constructions au sol, des différences de relief et de la capacitéemmagasinement de la chaleur. La turbulence minimum se rencontrent au-dessus des

grandes surfaces lisses et homogènes : mers, massifs forestiers, etc.

altitude jusqu à laquelle est ressentie la turbulence varie entre 300 et 3000 m. Laturbulence s exprime par un coefficient de diffusion turbulente K variable en un même pointau cours de la journée et de l année en fonction de la capacité d échauffement. Ce coefficientest minimum en hiver et pendant les heures froides de la journée ; il est maximum l été auxenvirons de midi.

T °C

10°

11°

12°

13°

14°

Altitude (mètres)

300

200

100

0

Altitude (mètres)

300

200

100

0

T °C

8°

7°

10°

de 131

En rapport avec l intervention des facteurs thermiques et de relief, on distingue uneturbulence dynamique (tourbillons créés par la différence de vitesse des masses d air, ou parle mouvement de l air qui entre en contact avec des objets) et une turbulence thermique.(Tourbillons créés par la différence de température des masses d air).

La détermination de la turbulence est importante pour les modèles gaussienspuisqu elle sert à déterminer les écarts-types de la distribution des concentrations. Il existeplusieurs méthodes pour mesurer (méthode directe) ou déterminer (méthode indirecte) l étatde stabilité de l atmosphère. Cette dernière est souvent retenue pour des raisons de coûts. Laclassification standard est celle dite " des classes de Pasquill ":

Jour Nuit

Vitesse du vent à 10 m du sol Rayonnement solaire incident Nébulosité

(m/s) fort modéré léger ≥ 4/8 ≤ 3/8<2 A A-B B2-3 A-B B C E F3-5 B B-C C D E5-6 C C-D D D D>6 C D D D D

Tableau II.1. Classes de stabilité atmosphérique (Pasquill-Turner)

Type de classe Conditions de la stabilitéA extrêmement instablesB modérément instablesC légèrement instablesD neutresE légèrement stablesF modérément stables

Tableau II.2. Conditions de la stabilité selon le type de classe

La quantité de nuages (ou nébulosité) est exprimée en octas, c'est-à-dire que le ciel estdivisé en 8 parties. Si 1 partie est couverte on chiffre 1/8, si 2 parties sont couvertes on chiffre2/8, etc.

Le phénomène de diffusion turbulente maximum des impuretés se réalise au contact dela masse de gaz évacuée par les cheminées avec la masse d air dans laquelle ceux-ci sedéplacent, [18]. Les tourbillons de mélange sont d autant plus grands que la vitesse dumouvement de l air est plus grande. Une situation dépressionnaire (basses pressions)correspondent en général à une turbulence de l'air assez forte et à de bonnes conditions dedispersion. En revanche, une situation anticyclonique (hautes pressions) favorisent lessituations de pollution.

de 131

Fig. II.9. Influence de la turbulence sur la dispersion

2.4.3. Les précipitations

La pluie, la neige et les autres formes de précipitations atmosphériques réalisent lelavage, l absorption et l entraînement vers le sol des impuretés de l air de façon d autant plusmarquée que la durée et l intensité de ces précipitations sont plus grandes. A cause de cela

atmosphère peut être considérée comme pure après une période suffisamment longue deprécipitations. D après Willet, [3], la pluie réalise le lavage de l atmosphère, spécialement desgaz, et la neige, des impuretés solides. D après Haagen-Smit, [3], les précipitations sontinsuffisantes pour épurer l atmosphère des particules plus petites que 2 µm.

Grâce au phénomène de lavage des impuretés, l eau des précipitations (spécialementcelle du commencement de ces précipitations) est utilisée pour déterminer le degré et la naturedes polluants. Les précipitations continuent à retenir les impuretés même après leur arrivée ausol par dissolution, absorption de (ou réaction avec) celles qui arrivent ultérieurement sur lasurface humide du sol.

Nous soulèverons tout de même dans ce paragraphe relatif aux précipitations lephénomène d acidification des pluies. La pollution acide (ou pluies acides) est liée auxpolluants acides (SO2, NOx, NH3, HCl, HF) émis par les activités humaines qui retombent en

de 131

partie à proximité des sources, mais aussi à des centaines, voire des milliers de kilomètres deleurs sources émettrices. Ces polluants retombent sous forme de retombées sèches ouhumides. Pendant le transport, ces polluants se transforment. SO2 et NOx se transforment ensulfates et en nitrates dans le cas où l'atmosphère est sèche, ainsi qu'en acide sulfurique(H2SO4) et en acide nitrique (HNO3) dans le cas où l'atmosphère est humide.

Certaines pluies ont un pH compris entre 3 et 4 alors que l'eau pure a un pH de 5,6.Les retombées acides ont des effets sur les matériaux, les écosystèmes forestiers et lesécosystèmes d'eau douce.

2.4.4. L’humidité

La présence de vapeurs d eau dans l atmosphère est considérée comme un facteurmétéorologique défavorable au phénomène d auto purification parce qu elles empêchent ladiffusion des impuretés et parce qu elles réagissent avec celles-ci de telle sorte que peuvent enrésulter des impuretés plus agressives. Une humidité élevée favorise la formation dubrouillard et la concentration des impuretés

Dès leur émission, les polluants subissent de nombreuses transformations. Lesréactions chimiques sont nombreuses dans l atmosphère qui, en outre, n est pas immobile etpeut entraîner les polluants loin de leur source d émission.

Les polluants émis, dits primaires, séjournent dans la couche limite planétaire (oucouche limite de frottement, environ 1500 m d épaisseur) et subissent une série detransformations chimiques, pour se transformer en polluants secondaires. C est ainsi que sous

action de l humidité :

• De l acide sulfurique (H2SO4) se forme à partir du dioxyde de soufre (SO2)• De l acide nitrique (HNO3) se forme à partir des oxydes d azote (NOX).

2.4.5. Les nuages

existence d un plafond compact et stagnant de nuages à une altitude peu élevée créeun espace fermé dans lequel la dilution des impuretés ne se produit plus dans des conditionssatisfaisantes. Plus cela dure et plus cela se répète souvent au cours de l année, plus lapollution est grande. Il existe des années et des périodes où les nuages se trouventfréquemment à faible altitude empêchant le phénomène d autoépuration. Ces sortes de zonesse rencontrent surtout dans les régions montagneuses pendant les périodes froides de l année.En revanche, les nuages en mouvement qui ne couvrent que partiellement une région peuvententraîner les impuretés, réalisant ainsi une autoépuration.

2.4.6. La lumière du soleil

La lumière du soleil est une source d énergie qui alimente les réactions de certainspolluants dans l atmosphère. Les oxydes d azote (NOx) et les composés organiques volatils(COV) interagissent en présence de la lumière du soleil. En absorbant l énergie lumineuse, ledioxyde d azote (NO2) se sépare en monoxyde d azote (NO) et en oxygène monoatomique(O). L oxygène monoatomique se combine rapidement avec le gaz oxygène (O2) présent dans

de 131

atmosphère pour former de l ozone (O3). Ces réactions ont représentées par les équationssuivantes :

Les produits de ces deux réactions sont instables. Par conséquent, en l absence d autresfacteurs, l ozone (O3), le monoxyde d azote (NO) et l oxygène monoatomique (O) réagissentpour former du dioxyde d azote (NO2) et du gaz oxygène (O2) ; il en résulte un équilibrechimique de l ozone. Autrement dit, il n y a pas d augmentation significative de la quantité

ozone. Pendant les mois chauds, la concentration d ozone ans l air non pollué varie de 20 à50 parties par milliard (ppb).

En présence de COV, le monoxyde d azote et l oxygène monoatomique réagissentavec eux plutôt qu avec l ozone et produisent de nombreux composés nocifs et réactifs.Puisque le monoxyde d azote et l oxygène monoatomique réagissent avec les COV, l ozone

accumule. C est pour cela que l ozone est en général la principale composante du smog.

Comme la lumière du soleil est un élément essentiel aux réactions chimiques quiproduisent le smog, on appelle ce phénomène le smog photochimique. Les produits desréactions photochimiques, comme l ozone, résultent de réactions entre des polluants primaires(directement émis par une source de pollution); on les appelle donc des « polluantssecondaires ».

2.5. Effet des conditions atmosphériques sur le comportement du panache

Le comportement des émissions de cheminée (panaches) dépend principalement duniveau de stabilité de l'atmosphère. En plus du vent, les variations de température à différentesaltitudes influent sur les mouvements du panache. Les variations dans la distribution verticaledes températures influent grandement sur le comportement des panaches. Parce que legradient thermique vertical (le taux de décroissance de la température en fonction del'altitude) dépend de l'air ambiant ou de l'environnement, on appelle gradient thermiqueenvironnemental la différence entre la distribution verticale de la température observée et lanormale (gradient thermique sec).

Dans les différents types de panaches décrits et illustrés ci-dessous :

• Les pointillés représentent le gradient adiabatique sec• Les traits continus représentent le gradient thermique environnemental

2.5.1. Le panache sinueux

de 131

Un panache devient sinueux quand de grands mouvements ascendants et descendantsse forment dans l'air instable. Le panache peut alors être rabattu au sol pendant de courtsmoments, causant par intermittences l'apparition de fortes concentrations de polluants àdiverses distances de la cheminée.

Ce phénomène ne s observe que si le réchauffement solaire est fort et que les ventssont légers. Une couverture nuageuse, ou des vents forts, empêche l apparition de cesconditions instables.

2.5.2. Le panache conique

Lorsqu il y a peu de variations de température selon l altitude, une légère instabilité,accompagnée de turbulences dues au vent, entraîne un brassage tant horizontal que vertical.Ce brassage n est toutefois pas aussi intense que dans les panaches sinueux. Le panache tendalors à prendre une forme conique. Il atteint le sol à des distances beaucoup plus grandes queles panaches sinueux. La forme conique se présente surtout la nuit ou les jours nuageux ouventeux, lorsque le réchauffement solaire est plus faible.

2.5.3 Le panache en éventail

Quand la température augmente avec l altitude, l air est stable et il n y a pas demouvement vertical (inversion). On peut observer un certain niveau de brassage horizontal,bien qu il ne soit pas aussi important qu avec un panache conique. Le panache s étend donc à

horizontale, mais très peu à la verticale. Puisque les vents sont en général légers, le panacheserpente à l horizontale. Les concentrations du panache sont élevées. Mais, dans ce cas, peu

effluents émis par des sources élevées sont rabattus vers le sol, à moins que l inversion nesoit brisée par des obstacles à la hauteur du panache ou par un réchauffement du sol. La formeen éventail se présente surtout la nuit, par temps clair et peu venteux.

2.5.4. Le panache tourmenté vers le haut

Un panache devient tourmenté vers le haut lorsqu il y a une inversion en surface(quand l air est plus froid près du sol). Le panache ne se mélange pas avec la couche

de 131

inversion, mais il peut s étendre au-dessus de celle-ci. Les gaz ne sont pas rabattus au sol,mais les grosses particules tombent à travers la couche d inversion. Le panache tourmentévers le haut se présente souvent au coucher du soleil, par beau temps et en pleine campagne.Cette forme de panache est habituellement transitoire et se transforme en éventail lorsque

inversion s affermit.

2.5.5. Le panache tourmenté vers le bas

Le réchauffement solaire de l air près du sol entraîne la création d une coucheturbulente près du sol. Lorsque cette couche est assez épaisse pour atteindre un panache enéventail, la turbulence thermique rabat de fortes concentrations de polluants vers le sol. Lespanaches tourmentés vers le bas se présentent principalement par temps clair et peu venteux,surtout en été, à cause de la chaleur. Un autre type de panache tourmenté vers le bas peut seprésenter en début de soirée au-dessus des villes. Les sources de chaleur et de turbulencesmécaniques causées par les accidents de terrain entraînent alors une instabilité des couchesinférieures de l air stable qui provient des zones non urbaines pendant la formation d uneinversion.

2.6. Les retombées des polluants

Appelée aussi déposition atmosphérique, elles correspondent au transfert des polluantsprimaires ou secondaires de l'air au sol. La figure II.10 illustre le processus de dépôt despolluants.

Fig. II.10. Processus de dépôt des polluants

Dépositionatmosphérique humide

Vent

Gaz, aérosolsDéposition

atmosphérique sèche Pluie

Émissionsanthropogéniques

Émissionsnaturelles

Sédimentationsèche

Enlèvementsec

Enlèvementhumide

de 131

2.6.1. Le dépôt des particules

Les particules les plus lourdes, dont la taille est en général supérieure à 10 µm, sedéposent par gravité. Ces dépôts sont observés à proximité immédiate des panaches de fuméesou des lieux d'envol des poussières. Ils sont susceptibles de perturber la vie quotidienne ensalissant le linge et les maisons. Ils pénètrent également dans les sols et peuvent avoir desrépercussions sur la santé humaine à travers la chaîne alimentaire. Les particules les plus finesrestent en suspension dans l'atmosphère et peuvent pénétrer dans l'appareil respiratoire. Cesparticules fines participent à la formation d'aérosols dans l'air et augmentent le trouble del'atmosphère. En ville, ces aérosols, absorbent une partie du rayonnement solaire et diminuentla visibilité.

2.6.2. Le dépôt sec

Elle correspond à une absorption d'aérosol ou de gaz par la surface du sol et de soncouvert végétal.

2.6.3. Le dépôt humide

Elle consiste en un apport de gaz et d'aérosol par les pluies, le brouillard ou la rosée. Lapluie entraîne sur son passage des substances solubles ou insolubles en suspension dansl'atmosphère.

de 131

CHAPITRE 3

SURVEILLANCE ET INSTRUMENTATION

3.1. Mesure en chimie atmosphérique

3.1.1. Introduction

La mesure de la composition chimique de l atmosphère et des précipitations constitue undomaine vaste et complexe. La chimie de l'atmosphère a pris de l'importance avant tout parceque l'on a reconnu le rôle essentiel joué dans le bilan thermique (et donc dans le climat) parl'absorption de l'IR due à l'absorption présents dans l'atmosphère en quantités relativementfaibles et dont le meilleur exemple est le CO2. On peut citer également les halocarbones et leprotoxyde d'azote, qui règlent aussi la quantité d'ozone dans la stratosphère, qui à son tourexerce une influence sur la distribution de la température et le niveau de la tropopause, [41].

De ce fait, nous traiterons certaines méthodes précises utilisées pour mesurer les polluants queOMM recommande d inclure dans les programmes de mesure des stations de base et des

stations régionales

3.1.2. Méthodes de mesure

On peut classer grossièrement les méthodes de mesure en deux groupes, [36] :

1. les télémesures2. les mesures nécessitant le prélèvement d échantillons

La télémesure repose souvent sur la mesure du rayonnement électromagnétique de différenteslongueurs d onde. Parmi ces méthodes mentionnons :

Ø la mesure de la réduction de la lumière solaire visible (c est à dire la turbidité) pourévaluer la teneur en aérosols dans une colonne d air verticale ;

Ø la mesure par radar pour évaluer la teneur en eau liquide des nuages à précipitationsØ la mesure par lidar pour étudier la concentration des polluants dans les panaches de

cheminée et les régions urbaines ;Ø la mesure par satellite du rayonnement infrarouge pour évaluer la teneur en vapeur

eau et en ozone de l atmosphère

Les mesures à distance ont l avantage de permettre l étude rapide des grandsvolumes d air et de fournir des données pour des endroits difficiles d accès. Par contre, lesdonnées obtenues par mesure à distance nécessitent souvent l établissement d une moyennespatiale, ce qui n est pas toujours souhaitable. Les limites de détection sont également parfoistrop faibles pour permettre la détermination exacte des gaz à l état de traces.

Dans les méthodes qui nécessitent le prélèvement d un échantillon, la mesure decertaines propriétés de l échantillon est parfois effectué directement sans aucune étape

extraction. C est le cas, par exemple, lorsqu on mesure CO ou CO2 à l aide d instruments àinfrarouge et la capacité de dispersion des aérosols à l aide d un néphélométre intégrateur

de 131

(Butcher et Charlson, 1972). Dans de tels cas, la vitesse de mesure n est pas un facteur trèsimportant.

De nombreuses autres méthodes de mesure nécessitent une surveillance étroite de lavitesse (période) de mesure. Un exemple : la détermination des concentrationsatmosphériques de SO2 par ingestion de bulles d air dans un réactif de piégeage. Dans ce cas,

instrumentation d échantillonnage comprend normalement une pompe et un débitmètre.

Souvent, il faut une attention spéciale afin d éviter toute contamination deéchantillon pendant le prélèvement, manutention, le prises dans des régions éloignées, où les

concentrations des constituants-traces sont généralement très faibles.

3.1.3. Mesure du CO2 et du CO

A l heure actuelle, la seule méthode satisfaisante et applicable pour analyser le CO2est la méthode à infrarouge non dispersif. Cette méthode se fonde sur le fait que le CO2 a unspectre d absorption unique dans l infrarouge. Il s agit d une méthode relative qui nécessite laprésence de gaz ″standard″, c est-à-dire de gaz ayant des concentrations de CO2 bien définies.En plaçant un analyseur au site d échantillonnage, on peut obtenir des relevés continus. Lorsqu il n est pas nécessaire ou possible de faire des mesures en continu, on prélève souvent deséchantillons dans des ballons pour les analyser par la suite en laboratoire. Cette dernièreoption est utilisée à l Assekrem.

Les concentrations en CO au niveau du sol dans les régions urbaines peuventégalement être analysées à l aide de la méthode infrarouge non dispersif. Toutefois pour lesfaibles concentrations observées en conditions normales, cette méthode n est pas applicable.Dans ces circonstances, on peut avoir recours à la chromatographie en phase gazeuse ou à laméthode Hgo (Seiler et al, 1980 ; WMO, 1978). Cette dernière méthode, qui est la plussensible et qui permet également de faire des relevés en continu, est basée sur la réaction entre

oxyde mercurique et le CO, qui produit du CO2 et de la vapeur de mercure. Cette vapeur estpar la suite mesurée grâce à sa forte absorption des radiations provenant d une lampe aumercure, [36].

Les hydrocarbures gazeux et les autres gaz contenant du carbone sont souvent dosés parchromatographie en phase gazeuse.

3.1.4. Bioxyde de soufre et sulfate particulaire

La méthode la plus fréquemment utilisée pour doser le SO2 est la méthode West-Gaeke, basée sur la formation d un complexe stable (dichloro-sulfitomercurate) formé parabsorption du SO2 dans une solution de Na2HgCL4

Le SO2 peut être conservé pendant plusieurs jours sous cette forme avant d êtreanalysé. La méthode est très spécifique pour SO2, mais sa limite de détection de quelqueµg/m3 restreint son application générale aux seules conditions urbaines, [36]

3.1.5. Oxyde d azote et ozone

Le plus souvent, l oxyde nitreux (NO2) est dosé par chromatographie en phasegazeuse. Cette méthode, courante en chimie atmosphérique, sépare les diverses composés

de 131

gazeux selon leurs caractéristiques physiques et chimiques (volatilité, poids moléculaire, etc.)en distinguant entre une phase liquide ou solide stationnaire et une phase gazeuse mobile.Après séparation, un détecteur est utilisé pour déterminer la concentration des composés.Dans le cas de N2O, le détecteur le plus souvent utilisé est un détecteur de conductivitéthermique.

La méthode par chimiluminescence est une méthode d analyse normalisée pourozone (O3), l oxyde nitrique (NO) et le dioxyde d azote (NO2) .Cette méthode est basée sur

la mesure de la lumière émise lorsque l ozone réagit avec certains gaz. Lorsque le détecteurpar chimiluminescence est utilisé pour analyser l ozone, par exemple, l air échantillonné estinfusé dans une chambre de réaction en même temps qu une quantité connue d éthylène. Lalumière produite par la réaction entre l ozone et l éthylène est mesurée. Dans le dosage deNO, le détecteur est alimenté avec de l ozone produit artificiellement qui convertit NO enNO2 dans un état d excitation .En chutant à un état moindre, NO2 émet une lumière qui peutêtre mesurée .La même technique peut être utilisée pour doser NO2 si celui-ci est d abordconvertit en NO, par exemple par réaction avec des atomes d oxygène. Le champ defonctionnement de cette méthode est d environ 1 à 1000 ppb pour NO et NO2 .Pour desconditions de base, ou les concentrations de NO et de NO2 sont très faibles, des détecteurs trèssensibles doivent être utilisés, [33].

3.1.6. Aérosols

La détermination de la concentration et des caractéristiques physiques et chimiquesdes aérosols dans l atmosphère pose des problèmes complexes et fait appel à de nombreusestechniques très différentes les unes des autres. Elle apparaît de plus en plus importante dans ladégradation du trouble atmosphérique.

Il en ressort par exemple, des mesures systématiques effectuées à Washington,pendant la première moitié de ce siècle, que le trouble atmosphérique a augmenté de 57%.Des mesures portant sur une période analogue à Davos (Suisse) indique un accroissement de79%, [40].

Dans cette section, nous ne mentionnerons que brièvement quelques principes de baseet insisterons davantage sur les techniques dont l utilisation est recommandée pour le réseaude contrôle de la pollution de fond de l OMM. Les trois types de mesures traitées ci-dessousportent tous sur les caractéristiques physiques des aérosols.

(a ) Mesure de la dispersion de la lumière par néphélométrie

Le néphélométre mesure la réaction du faisceau lumineux due à la dispersion causée par lesparticules aérosol et les molécules de gaz .Sauf dans l air très pur, c est la dispersion par lesaérosols qui domine. De l air qui passe dans une chambre est illuminé par une sourcelumineuse. La lumière dispersée est mesurée à l aide d un capteur (figure 3.1). La géométriede l instrument est telle que la quantité mesurée bscat est «égale à la quantité totale delumière dispersée dans toutes les directions. Cette quantité est comparée au champ visuelmétéorologique défini comme la distance à laquelle un objet idéal noir disparaît lorsqu on leregarde sur l horizon céleste pendant la journée au moyen de l équation suivante :

Lv = 3.9 / bscat

de 131

Ou Lv et bscat sont respectivement en m et en m-1.dans des conditions normales, avec unehumidité relative inférieure à environ 70 % .les particules dont le diamètre se situe entre 0,1et 1 m ont une influence dominante sur la dispersion de la lumière visible. L équationapproximative suivante peut alors être appliquée :

Lv * Mp = 1 g/m2

Ou Mp désigne la concentration de masse des aérosols dans la gamme 0.1 1 m ( g/m3) .Ontrouve dans le manuel de Butcher et Charlson (1972) une description du néphélométre ainsi

que les notions théoriques de base.

(b) Turbidité

Par définition, la turbidité de l atmosphère est la réduction de la transparence deatmosphère et la dispersion du rayonnement solaire par des particules solides ou liquides

autres que les nuages qu ils s y trouvent en suspension .Une partie de la lumière disperséeretourne revient dans l espace tandis que le reste se manifeste sous forme de rayonnementsolaire diffusé. L effet de cette réduction de la lumière, allié à celui de la dispersion desmolécules de gaz (diffusion de Rayleigh) et de l absorption par l ozone et d autres gaz peutetre exprimé comme suit :

E = E exp [ m( R + 0 + ] D )]

Où E = densité spectrale du flux énergétique solaire au sol.

E = densité spectrale du flux énergétique solaire au sommet de l atmosphère

m = masse atmosphérique relative = 1/sin (élévation du soleil)

R = épaisseur optique attribuable à la dispersion des molécules d air .

0 = épaisseur optique attribuable à l absorption par l ozone et les autres gaz .

D =épaisseur optique attribuable à la dispersion et à l absorption par les aérosols .

Fig. III.1. Néphélomètre intégrateur [33]

de 131

Pour déterminer la turbidité ( D ), E doit être mesuré pour différentes élévations dusoleil (m) .L extrapolation de ces mesures à m=0 donne une évaluation de E . Si R et 0 peuvent être évaluées à partir des données mises en tableau, la valeur de D peut être dérivéede l une des équations. Les pyrhéliométres ou photomètres solaires sont les instrumentsutilisés pour mesurer E .Les pyrhéliométres, plus précis, sont souvent utilisés pour

étalonnage .Les photomètres solaires sont plus faciles à manipuler, mais leurs erreurs demesure sont généralement plus importantes.

c) Matières particulaires en suspension

La concentration de matières particulaires en suspension est évaluée à l aideéchantillonneurs à fort volume, capables de déplacer entre 1 et 2 m3 air/min à travers un

filtre de verre de faible résistance .En manipulant l appareil avec soin, la limite de détectionpour 24 heures d échantillonnage devrait être d environ 10 g m-3, compte tenu d un «écart-type d environ 4 g m-3.

L une des caractéristiques les plus intéressantes de ce genre d échantillonnage est quele filtre exposé permet d effectuer diverses déterminations et qu une bonne partie du filtrepeut être conservée pendant plusieurs années, permettant ainsi des enquêtes rétrospectives(Sauf pour les éléments qui s évaporent, comme le mercure).

L échantillonneur à fort volume comprend des éléments de base suivants : carter,support de filtre, soufflerie à moteur et débitmètre. Normalement, les particules recueillies ontun diamètre inférieur à environ 10 m. Ce type de particule demeure en suspension pendantdes heures ou des jours et, par conséquent, les échantillons sont représentatifs d une vastesuperficie au voisinage du site d échantillonnage.

Le carter protége le filtre et le moteur de la pluie et sert en quelque sorte deprécipitateur pour les particules plus grosses (de 30à 100 m).Dans de nombreux cas (sauf,p.ex., au cours de tempêtes de poussières) les particules de taille supérieure à environ 30 msont d origine ponctuelle et ne sont pas représentatives d une vaste superficie autour du site

échantillonnage.

L échantillonnage à fort volume permet d obtenir des valeurs moyennes sur despériodes de 24 heures par exemple .La concentration de masse des matières particulaires estdéterminée à partir des mesures de la masse du filtre avant et après l échantillonnage, entenant évidemment compte du volume d air échantillonné.

3.1.7. Dépôt par précipitation

Le dépôt par précipitation constitue un processus très important d élimination desaérosols et de plusieurs gaz hydrosolubles de l atmosphère. Il est donc intéressant d étudiersystématiquement la composition chimique des précipitations et d évaluer les quantités desdivers composés déposés de cette façon. Cela peut être fait en multipliant la concentrationdu constituant dans l eau de pluie par le volume d eau de pluie.

Loin d'être un problème local ou régional, les précipitations acides ont la particularitéd'être liées aux systèmes météorologiques. Ces systèmes s'avèrent responsables dutransport et de la transformation des substances polluantes provenant de régions sources

de 131

industrialisées et affectant des zones parfois situées à de très grandes distances de leurpoint d'origine., [21].

Le système de collecte des précipitations consiste en un entonnoir relié à une bouteille.L entonnoir doit être fermé à l aide d un couvercle pendant les périodes sèches afin

empêcher la contamination par les matériaux surtout d origine locale qui pourraient ytomber. Les collecteurs qui demeurent ouverts pendant toutes les périodes sont souventappelés échantillonneurs globaux.

Il existe aujourd hui plusieurs systèmes de collecte qui se ferment et s ouvrentautomatiquement selon qu il pleut ou non. La bouteille doit être assez grande pour contenir

eau recueillie pendant une semaine ou un mois selon l intervalle choisi. Il faut prendre biensoin d éviter toute contamination pendant la manipulation des échantillons. Par exemple, unegoutte de sueur contient à peu prés autant de sodium et de chlore qu un échantillon normal.

Des problèmes spéciaux se posent dans les climats froids ou le compartimentcontenant l appareil doit être chauffé afin de faire fondre la neige. Inversement, dans les payschauds, la croissance d algues dans l échantillon peut poser de graves problèmes en ce qu ellealtère la concentration des espèces dissoutes notamment les nitrates, l ammonium et lephosphore.

3.1.8 Dépôt sec

Une partie des dépôts secs totaux par la sédimentation des aérosols de diamètresupérieur à quelques micromètres peut être grossièrement évaluée à l aide d un collecteur dumême type que celui utilisé pour l échantillonnage des précipitations. Il n existemalheureusement aucune méthode normalisée qui permet de mesurer les dépôts secs engénéral, notamment les dépôts de composés gazeux et de particules aérosol de petitesdimensions

De nombreuses tentatives ont été faites pour évaluer les vitesses de dépôts sec pourcertains types de surfaces : mesure directe de l absorption de substances traces à la surface,méthode du gradient de flux, méthode de corrélation de flux turbulent et différents types deméthodes d équilibre de masse .II a ainsi été possible de relier de façon approximative lavitesse de dépôt sec à la concentration d un composé dans l air au niveau de la surface à l aide

un paramètre de vitesse de dépôt sec Vd :

Di = Vdi * Ci

Di et Ci représente la vitesse de dépôt et de concentration du composé « i ».Dans lamesure où une telle équation est valide, la mesure du dépôt sec peut être déduite des mesuresdes concentrations de l air en surface. Cette méthode est souvent utilisée. Faute de mieux,bien que sa validité soit quelque peu douteuse.

3.2. Qualité et stockage des données

Il est très important d examiner la qualité des données dans tout programme de mesureen chimie atmosphérique. Si les données ne sont pas bonnes, leur évaluation n anaturellement que peu de valeur. Le problème de la qualité est ici plus épineux que dans le cas

de 131

observations météorologiques standard : les mesures en chimie atmosphérique comportenten effet souvent plusieurs étapes d échantillonnage, de traitement des échantillons et

analyse, ce qui multiplie les sources d erreurs, et les valeurs des concentrations sontgénéralement très faibles, souvent très proches des limites de détection des méthodes

analyses, [33].

Les erreurs attribuables à la contamination des échantillons peuvent être détectéesgrâce à des analyses répétées et à un examen approfondi des données. Les erreurs

échantillonnage peuvent être relevées par comparaison inter laboratoires. Ces comparaisonsdoivent entre effectuées à intervalles réguliers dans tout programme de mesure intensif auquelparticipe plus d un laboratoire. Il est très important que les laboratoires participants prennentréellement part à ces comparaisons.

Dans de nombreux cas, il est impossible d éviter l interférence des sources locales .Unrelevé simultané de variables météorologiques (direction du vent, trajectoires etc.) peutpermettre d exclure les périodes pendant lesquelles une interférence locale est suspectée.

Une règle générale qui s applique au stockage et à la publication des données enchimie atmosphérique est d inclure, autant que possible, les informations suivantes, [56] :

1. Date et lieu de la mesure, y compris les périodes de calcul des moyennes.

2. Méthode utilisée pour prélever et analyser l échantillon.

3. Évaluation de la qualité des techniques d analyse.

4. Description du site, notamment de la distance le séparant des sources localeséventuelles.

5. Conditions météorologiques pendant la période d échantillonnage.

Lorsque des programmes de surveillance à long terme sont mis sur pied afin d établirles tendances éventuelles des concentrations, il est particulièrement important de relever toutchangement apporté aux méthodes d analyse et aussi tout changement se produisant auvoisinage de l équipement d échantillonnage.

3.3. Le Système Mondial de Surveillance Continue de l’Environnement

Certains réseaux d observation météorologique sont en fonction depuis plus de 100 ans.Ils sont coordonnés à l échelle internationale par l Organisation Météorologique Mondiale(OMM) et les organismes qui l ont précédée. Ce n est toutefois qu au cours des années 60 que

on a commencé à s intéresser sérieusement à d autres types de systèmes de surveillanceenvironnementale. Cette décennie a en effet vu naître de nombreux groupes de protection de

environnement qui ont critiqué, entre autres choses, à l insuffisance des données sur laqualité de l environnement. Cela a mené à l adoption, à la conférence sur l environnementhumain de Stockholm en 1972, du principe du GEMS, qui devait fournir les donnéesnécessaires aux prises de décision en matière de gestion de l environnement, [30].

de 131

Le GEMS est coordonné par le Programme des Nations Unies pour l Environnement(PNUE), mais relève principalement des organismes de l ONU compétents en la matière. Lescomposantes du GEMS visent les objectifs suivants, [36] :

a) Mise en place d un système global d avertissement pour tout danger pour lasanté humaine (OMS)

b) Évaluation de la pollution atmosphérique globale et de son impact sur le climat(OMM)

c) Évaluation des concentrations et de la distribution des polluants dans lesystème biologique, notamment dans les chaînes alimentaires.

d) Évaluation de problèmes environnementaux graves en matière d agriculture, etutilisation des terres et de l eau (OAA/Unesco) ;

e) Évaluation de la réaction des écosystèmes terrestres aux pressions exercées surenvironnement (OAA/Unesco) ;

f) Évaluation de la pollution des océans et de son impact sur les écosystèmesmarins (Unesco/COI/OAA/OMCI/OMM) ;

g) Mise en place d un réseau international amélioré permettant de surveiller lesdivers facteurs nécessaires à la compréhension et à la prévision des désastres etmise sur pied d un système d avertissement efficace (tous les organismes).

Pour ce qui est de la pollution atmosphérique, L OMS est responsable de la surveillance de lapollution urbaine (à cause des éventuelles implications sur la santé). L OMM est responsabledu contrôle de la pollution régionale et globale (BAPMON, réseau de surveillance de lapollution atmosphérique de fond) (à cause des implications sur le climat).

Le réseau de surveillance de la pollution atmosphérique urbaine de l OMS et exploitédans certaines villes choisies d environ 50 pays. Ce réseau évalue divers éléments parmi lessubstances traces suivantes : matières particulaires en suspension, SO2, CO, NO2, O3. Dessommaires de données sont publiés annuellement.

Le réseau BAPMoN (Background Pollution Monitoring Network) de l OMM comprendtrois types de stations de surveillance :

1. Stations régionales (dans les régions rurales ou boisées)

2. Stations régionales avec programmes élargis (dans les régions rurales ouboisées, pour des applications écologiques) ; les critères de sélection de sitessont plus sévères que pour les stations régionales ordinaires ;

3. Stations de base (dans les endroits très éloignés, p. ex., l Antarctique, lesdéserts, au sommet des montagnes, dans les îles isolées, etc.).

Les trois premiers types de mesure constituent ce que l on appelle le programmeminimal. Environ près de 330 stations régionales et 22 stations de base sont actuellementexploitées. Des sommaires des données sont publiés chaque année dans la série «GlobalAtmosphère Background Monitoring For Selected Environmental Parameters ; BAPMoN forthe year ».

de 131

Mentionnons enfin le nouveau principe de surveillance intégrée élaboré par le PNUE,OMM et l UNESCO. Ce principe a été défini par le PNUE comme suit :

« La mesure répétée de toute une gamme de variables ou d indicateurs environnementauxdans les milieux vivants et non vivants de l environnement, de même que la mesure dutransfert des substances ou de l énergie d un milieu à l autre. La surveillance est vraimentintégrée lorsque les mesures de différentes variables ou des mêmes variables dans différentsmilieux sont coordonnées dans le temps et dans l espace afin de donner un tableau exhaustifdu système à l étude. Ces variables peuvent comprendre les substances chimiques (parexemple les polluants), les processus géophysiques (par exemple, le vent, les courantsocéaniques), les processus biologiques (par exemple, la production primaire) ou d autresfacteurs qui peuvent influer sur l humanité, les ressources naturelles et le climat. »

3.4. Les réseaux de surveillance en Algérie

3.4.1. Présentation des réseaux

Deux réseaux opérationnels de surveillance de la qualité de l air « SAMASAFIA », ontété mis en place au niveau des agglomérations d Alger et de Annaba depuis Avril 2002, etdeux réseaux en cours d installation.

ALGER : un réseau composé de 4 stations reliées à un poste central.

ANNABA : un réseau composé de 4 stations reliées à un poste central.

ORAN : un réseau en cours d installation en 2005

SKIKDA : un réseau en cours d installation en 2005

Le projet de loi sur l air prévoit l équipement des villes de plus de 500.000 Habitantsun réseau de surveillance de la qualité de l air

Source Photo Ministère de l Aménagement du Territoire et de l Environnement (MATE) - 2005

de 131

3.4.2. Polluants mesurés

Ces réseaux sont automatisés et mesurent en continu les polluants suivants :

• NOx• CO• HC• O3

• SO2

• Les poussières

3.4.3. Fonctionnement des stations

Chaque réseau de surveillance de la qualité de l'air est constitué de 4 stations de mesureréparties en zones urbanisées. L'air extérieur est prélevé à l'aide d'un tube de prélèvement,puis analysé.

Chaque station est équipée d'un ou plusieurs analyseurs mesurant chacun un polluantspécifique. Les paramètres météorologiques telles que la force et la direction du vent sontégalement être mesurés.

Les résultats sont télétransmis vers un poste central équipé en moyens informatiquespuissants par l'intermédiaire du réseau téléphonique, pour être enregistrés, traités, analysés etpubliés.

3.4.4. Objectifs des réseaux

• Surveiller en continu les niveaux de pollution atmosphérique en zones urbaines

• Détecter les pics de pollution et les périodes durant lesquelles les seuils limites sontdépassés

• Établir des prévisions de qualité de l air en utilisant des modèles de simulation

• Alerter les autorités durant les situations critiques et informer les populations desmesures à suivre pour minimiser les impacts sur la santé.

• Programmer et mettre en uvre les mesures requises pour améliorer la qualité de l airà moyen terme.

de 131

Source Photo Ministère de l Aménagement du Territoire et de l Environnement (MATE) - 2005

EN CAS DE POINTE DE POLLUTION

Deux seuils sont considérés :

1/ LE SEUIL D INFORMATION à partir duquel une exposition de courte durée présenteraitun risque pour la santé.

Ce seuil est défini dans le tableau ci-dessous pour les principaux polluants concernés :

Polluant Seuil d information

Dioxyde d azote 400 µg/m3Dioxyde de soufre 350µg/m3

Ozone 180µg/m3

Mesures applicables quand les seuils d information et de recommandation sont atteints

a - Informations générales sur la situation de pollution : -polluant concerné, -niveau de concentration atteint, - date, heure et lieux du dépassement, - raisons du dépassement lorsqu'elles sont connues, - aire géographique concernée, - prévisions sur l'évolution de la situation et raisons de cette évolution.

de 131

DES QUE LE SEUIL D’INFORMATION EST ATTEINT OU DEPASSE, LE MATEINFORME PAR COMMUNIQUE :

La population par l intermédiaire des médias et prodigue les conseils sanitaires suivantsdestinées particulièrement aux personnes sensibles (enfants, personnes âgées, asthmatiques etinsuffisants respiratoires chroniques) :

b- Recommandations sanitaires- éviter toutes les activités physiques et sportives intenses,- veiller à ne pas aggraver les effets de cette pollution par la pratique d'autres activitésémettrices de substances polluantes (usage de solvants sans protection appropriée,consommation de tabac),- respecter scrupuleusement les traitements médicaux en cours à visée respiratoire ou lesadapter sur avis du médecin.

2/ LE SEUIL D ALERTE à partir duquel une exposition de courte durée pourrait entraîner unrisque élevé pour la santé des populations et pour l environnement.

Ce seuil est défini dans le tableau ci-dessous pour les principaux polluants concernés :

Polluant Seuil d alerte

Dioxyde d azote 600 µg/m3Dioxyde de soufre 600µg/m3

Ozone 360µg/m3

DES QUE LE SEUIL D ’ALERTE EST ATTEINT OU DEPASSE, LE MATE INFORME

Le Wali pour le déploiement du dispositif d alerte et pour mettre en uvre les moyensde lutte nécessaire durant cette situation.

La mise en uvre des actions et mesures d'urgence s'inscrit dans le cadre d'unecoordination, sous l autorité du Wali, entre les différents organismes et services suivants :

• Le Groupement de la Gendarmerie Nationale• La Sûreté urbaine de Wilaya• Inspection de l environnement de Wilaya• La Direction de la protection civile de Wilaya• La Direction de la santé de Wilaya• La Direction des Transports de Wilaya• La Direction de l Industrie de Wilaya• La Direction de l Énergie et des Mines de Wilaya

de 131

CHAPITRE 4

PROGRAMME DE LA VEILLE DE L’ATMOSPHÈRE GLOBALE EN ALGÉRIE

4.1. Objectif général

Ce chapitre est dédié à la présentation aussi complète que possible du programme demesures effectué à Tamanrasset et l Assekrem dans le cadre du programme mondial de lasurveillance de la composition chimique de l atmosphère et de la qualité de l air.

La Veille de l'Atmosphère Globale (VAG) est un programme àlong terme initié au début de la décennie 90 par l'Organisation météorologique mondiale(OMM). La VAG a pour objectif le rassemblement et l'interprétation de données etd'informations provenant de toutes les parties du globe sur la composition chimique del'atmosphère (gaz en faibles concentrations, aérosols, etc.), ainsi que sur les paramètresphysiques qui y sont liés (rayonnement solaire, U.V., etc.). Ce programme schématisé par lafigure IV.1 est une composante du Système d'observation du climat global de l OMM, toutcomme les réseaux météorologiques et les autres systèmes d'observation de la terre.

Fig. IV.1. Schéma et composantes du programme de surveillance (Source : OMM, Genève)

Ce projet a consisté à la mise en place d un certain nombre de stations les plusreprésentatives à travers le monde et couvrant au mieux le globe. Ces stations sont situées

CENTRES D’ACTIVITESCIENTIFIQUE

CENTRES DECALIBRATION

Réseaux decontribution

STATIONS VAG

Globales Régionales

Observations parsatellite

CENTRES MONDIAUX DE DONNEES VAGOZONE/UV GES ET AUTRES GAZ AEROSOLS

PRECIPITATIONS RAYONNEMENT

GROUPES SCIENTIFIQUES CONSULTATIFSAEROSOLS OZONE PRECIPITATIONS ACIDES

RAYONNEMENT UV GES GAZ REACTIFS

JumelageAtelier

Étalonnage, formationVisites de sites, comparaisons

ANALYSES

SYNTHESES

de 131

dans des sites isolés et éloignés de toute source de pollution industrielle (anthropique) et depréférence à une altitude élevée.

Algérie a été choisie pour abriter une station base et sa localisation à Tamanrasset etAssekrem (Hoggar), répond aux critères relatifs au choix de l emplacement des stationsde surveillance de la pollution atmosphérique.

La représentativité et la position privilégiée qu'offre ce site sur le continent africain,éloigné de toute activité anthropique et de biomasse, sont idéales pour les mesuresatmosphériques, en particulier les changements de la composition chimique de l'atmosphère àlong terme.

Ce site sélectionné en raison de l éloignement de cette région de toute source depollution est implanté à une altitude élevée, à 2710 mètres au sommet de l Assekrem. Atravers le monde, il existe actuellement environ 20 stations VAG. Le site de l Assekrem a étéretenu en plus de celui de Tamanrasset « ville » pour permettre des mesures plus fiablesconcernant les concentrations des gaz car Tamanrasset « ville » est devenue une cité urbainerelativement importante avec une population d environ 80.000 habitants et un parcautomobile consistant.

4.2. Mesures sur le site de Tamanrasset

Les mesures effectuées sur le site de Tamanrasset concernent lesparamètres suivants :

• Le trouble atmosphérique• ozone total,• Le rayonnement solaire (direct, global, diffus, infrarouge) et ultraviolet B.

4.2.1. Mesure du trouble atmosphérique :

4.2.1.1. Définition et principe de mesure

Ce paramètre caractérise la présence des aérosols (0.1 à 10 m) dans une colonne d airatmosphérique ; il nous permet d avoir une idée sur le degré de turbidité. Par définition, laturbidité est la réduction de la transparence de l atmosphère causée par l absorption et ladispersion du rayonnement solaire par des particules solides ou liquides autres que les nuagesqui s y trouvent en suspension. C est un paramètre sans dimension.

Station de Tamanrasset 04/04/2005

de 131

Le trouble est mesuré à l aide d un photomètre solaire à la longueuronde 0.5 µm, à l aide d un équipement de mesure fourni par la NOAA

en janvier 1995. La mesure consiste à prendre le photomètre solaire et lediriger directement vers le soleil pour relever la valeur énergétique I(quantité relative sans unité). La mesure du trouble atmosphérique

effectue pour la longueur d onde 500 nm du spectre solaire, domaineabsorption des aérosols.

La détermination du trouble atmosphérique est basée sur le principe de laloi de Beer :

I = (I0) × exp (-ax) (V.1)

Où I0 est l éclairement énergétique à proximité immédiate de la source (x=0) et a lecoefficient d extinction de l air

A l échelle de l atmosphère cette expression s écrit sous la forme suivante :

I = (I0 / S) × exp [- m (p × r / p0 + 0 + a)] (V.2)

I : éclairement énergétique direct mesuré par le photomètre solaireI0 : éclairement hors atmosphère déterminé par étalonnage de l appareilm : trajet optique qui dépend de la hauteur du soleil au site de mesureS : coefficient de correction distance terre-soleil (=1 pour la valeur moyenne de cette distance)p : pression à la stationp0 : pression standard au niveau de la mer (1013,2 hpa)

r : coefficient d extinction dus aux molécules d air (=0.145) ramené à la pression p0 : coefficient d extinction dû aux molécules d ozone (=0.012)a : coefficient d extinction dû aux aérosols (trouble atmosphérique à déterminer)

équation (VI.2) peut s écrire sous la forme :

a = Ln [I0 / ( I × S )] / m – (p × r / p0 + 0) (IV.3)

4.2.1.2. Fréquences des mesures :

03 mesures sont effectuées par jour à 09, 12 et 15 LST (Local Standard Time). LeLST d un site représente le temps moyen du fuseau horaire du lieu. Pour Tamanrasset, le LST= TU (Temps Universel). Les mesures sont effectuées en absence totale de nuages autour dudisque solaire. En cas de présence de nuages on peut retarder ou avancer le temps de lamesure, et si les nuages persistent la mesure est annulée, [57].

de 131

Les trois mesures du trouble atmosphérique sont en général assez représentatives pourla moyenne de la journée.

4.2.1.3. Ordre de grandeur

Dans des situations de ciel très limpide, le trouble peut descendre au-dessous de 0.010et dans des situations de forte brume de sable de visibilité <1 Km, le trouble peut dépasser lavaleur 1.00. En moyenne l atmosphère est considérée comme relativement pure pour lestroubles < 0.100 et très troublée pour les valeurs > 0.500.

4.2.1.4. Étalonnage du photomètre

L étalonnage du photomètre solaire s effectue une à deux fois par année par ciel clair,avec de bonnes visibilités et par vent faible à calme. L étalonnage permet de déterminer lanouvelle valeur de I0 qui change avec le temps. L étalonnage consiste à effectuer des mesuresrégulières de l éclairement solaire toutes les 12 à 15 mn du lever du soleil à midi vrai du lieu.

En appliquant la méthode de Langley, explicitée dans les notices techniquesaccompagnant les équipements, qui n est autre qu une régression linéaire entre log I et m, ondéduit la valeur de I0 qui correspond à m=0 (sommet de l atmosphère).

4.2.1.5. Archivage et envoi des données

Les mesures du trouble atmosphérique à Tamanrasset ont débuté en octobre 1987 àaide d un photomètre du type MAINZ. Avec le temps, le filtre de cet appareil a commencé à

présenter des anomalies d instabilité (problème inhérent aux photomètres en général) ; enjanvier 1995 il a été remplacé par un photomètre provenant de Boulder (USA), plus fiable etplus performant, [57].

Les données sont saisies mensuellement avec création de deux fichiers mensuels, unfichier de saisie et un fichier de calcul. Les fichiers comportent en plus des valeurs du troubleet l éclairement d autres informations météorologiques comme la température, le vent, lavisibilité et la nébulosité.

Les données sont envoyées tous les trimestres sur des imprimés spéciaux au centremondial d archivage des données du trouble sis à :

NOAA/NCDC51 Patton Avenue AshevilleNC 28801-5001-USA

de 131

4.2.2. Mesure de l’ozone total :


L'ozone joue un rôle majeur dans la chimie de latroposphère et de la stratosphère. Il absorbe lesrayonnements dangereux biologiquement, et, ce faisant,réchauffe la stratosphère et détermine jusqu'à un certainpoint le pouvoir d'oxydation de la troposphère. C'estégalement un gaz à "effet de serre" important.

L'ozone est un gaz très réactionnel. Des études ont montré que de l'ozone pouvait êtredétecté sur des distances moyennes de l'ordre de 50 km en aval des agglomérationsimportantes. Les molécules d'ozone détectées dans ces zones ne sont pas forcément celles quiexistaient dans la zone urbaine, lors du passage de la masse d'air. L'ozone est impliqué dansdes réactions de formation et de destruction. Tant que les conditions météorologiques, lesconcentrations en NOx et COV et l'ensoleillement le permettent, les deux types de réactioncohabitent. Durant la nuit, seules les réactions de destruction subsistent et la concentration enozone diminue lentement.

Des problèmes tels que le "trou d'ozone" au printemps, observé au dessus del'Antarctique, ou le réchauffement potentiel de la planète, ont contribué à attirer l'attentionmondiale sur les modifications atmosphériques. La surveillance opérationnelle de sarépartition et de sa concentration est donc de grande importance.

Dans une atmosphère standard de hauteur de 8.5 km d épaisseur occupéeprincipalement par N2 (78 %) et O2 (21 %), les molécules d ozone O3 occupent une épaisseurde 2 à 5 mm en moyenne qui est minimale à l équateur et maximale aux latitudes tempérées.Cette couche si fine soit elle protège tous les êtres vivants sur terre du rayonnement solairenocif, les UV-B. Ces molécules se trouvent en majorité, près de 90% dans latroposphère entre 15 et 25 Km.

La mesure de l ozone total s effectue à l aide de spectrophotomètres DOBSON, unesérie d appareils numérotés dont le premier a été fabriqué dans les années 50. Celui deTamanrasset est relativement ancien et de numéro 11. Ces appareils sont très lourds àmanipuler et nécessitent un déplacement sur chariot roulant à l extérieur de la salle poureffectuer la mesure.

Le DOBSON N°11 de Tamanrasset a fonctionné à l Université de Bordeaux (France)durant une dizaine d années avant d être transféré au laboratoire CMDL (Boulder-USA) pourétalonnage et changement de quelques pièces pour ensuite être transféré vers l Algérie.

Notons qu il existe de nouveaux appareils de mesure automatique de l ozone total(série BREWWER) et sont mis en exploitation depuis les années 80. Ces instrumentsfournissent directement et de façon continue la valeur de la couche d ozone.

La détermination de l épaisseur de la couche d ozone est basée sur l expressionsuivante :

Spectrophotomètre Dobson

de 131

I = I0 × 10- ( x + m × p / p0

+ sec z) (IV.4)

I, I0, , , : les mêmes paramètres que ceux du trouble atmosphériquem : trajet optique à travers la couche d ozone (dépend de la hauteur du soleil)x : épaisseur de la couche d ozonez : angle zénithalesec z =1/cos(z)

Pour pouvoir déterminer le paramètre x de l équation (IV.4) il faut effectuer deuxmesures sur deux longueurs d onde différentes A et D afin d éliminer les coefficientsinconnus a.

En posant N= log (I0 / I) log (I / I0), l équation (IV.4) se réduit à :

X = (Na Nd) / (100 × ×1.432) (0.007 × P/P0)

Cette expression nous donne la valeur de x en cm à la pression et température standard. Il fautensuite multiplier par 1000 pour la convertir en unités D.U (Dobson Unité).

Na et Nd sont déterminés à partir des mesures du spectrophotomètre DOBSON.

4.2.2.2. Fréquences des mesures

Trois mesures de la couche d ozone sont effectuées par jour : le matin, vers midi etaprès-midi afin d établir la moyenne quotidienne. Le temps de la mesure dépend de la saison

et de la hauteur du soleil et elle doit être effectuée lorsque le soleil est légèrement élevé et loindu zénith (1.015 < < 1.15). A Tamanrasset les mesures sont effectuées en moyenne auxheures suivantes :

Matin Midi Après-midiHiver Entre 0930 et 1000 TU Entre 1200 et 1215 TU* Entre 1400 et 1415 TUEté Entre 0900 et 0930 TU Entre 1230 et 1245 TU Entre 1500 et 1530 TU

* 1215 TU signifie 12 heures 15 minutes Temps Universel

La mesure consiste à effectuer deux genres d observations : observation du soleildirect et du zénith. La mesure du soleil direct permet d obtenir l épaisseur de la couche

ozone, et la mesure du zénith (lumière du ciel) permet d établir dans le futur, lorsqu ondispose d une longue série, une relation statistique (polynomiale) pour pouvoir déduire lacouche d ozone directement de l observation du zénith lorsque les nuages cachent le soleil.

Les mesures du soleil direct peuvent s effectuer en présence de nuages autour du soleilà condition que le soleil ne soit pas caché et que l ombre soit apparente. Dans ces conditions

extinction des radiations ultraviolettes par les nuages est minime, [57].

de 131


Les valeurs de l ozone total à Tamanrasset varient en moyenne entre 240 D.U et 280D.U suivant les saisons. Elles sont maximales en été et minimales en hiver.

4.2.2.4. Étalonnage du Dobson

L étalonnage du DOBSON permet de suivre l état de fonctionnement de l appareil. Cecontrôle est effectué une fois tous les mois pour pouvoir appliquer les corrections éventuelles.Le contrôle mensuel concerne principalement la lampe à mercure pour vérifier si les mesuressont effectuées pour les longueurs d ondes appropriées et la lampe standard pour vérifier si lescaractéristiques optiques de l appareil ont changé.

L OMM organise régulièrement des campagnes d étalonnage des différents DOBSONen exploitation à l aide des étalons secondaires par régions, eux-mêmes étalonnés à l aide de

étalon primaire de Boulder (USA).


A Tamanrasset, la mesure de l ozone total a débuté en avril 1994 à l aide duspectrophotomètre DOBSON avec une fréquence de 03 mesures par jour (matin, midi et soir).

Les données sont envoyées tous les deux mois sur imprimés spéciaux et sur disquette aucentre mondial d archivage des données de l ozone total :

WODC (World Ozone Data center)Atmospheric Environment Service4905 Dufferin Street Downview Ontario Canada M3H5T4Site web : www.woudc.org

4.2.3. Mesure du rayonnement solaire et atmosphérique :


Les mesures de rayonnement solaire (direct, global, diffus,infrarouge RG8) ont débuté en septembre 1994 à l aide

équipements EPPLEY. L acquisition des données estautomatique et continue sur un datalogger (module destockage). Les données sont ensuite transférées sur PC pourtraitement et archivage. Le pas de temps des mesures était de 3minutes de septembre 94 à février 2000 puis de 1 minute àcompter de mars 2000.

En janvier 97, la mesure de l UV-B a été introduite à l aide d un pyranomètre dans labande 0.28 µm 0.33 µm avec un pas de temps de 5 minutes. La mesure de l UV-B a unegrande importance dans le domaine de la santé et l agriculture car l excès de ce rayonnementpeut avoir des conséquences dramatiques pour le cancer de la peau. Il est fortement lié à la

Capteurs de rayonnement

http://www.woudc.org

de 131

présence des molécules O3 dans la stratosphère et toute augmentation de l UV-B indique unediminution de l O3 car l UV-B est fortement absorbé par l O3.

En mars 2000, une autre mesure du rayonnement a été ajoutée concernant lerayonnement atmosphérique descendant de grande longueur d onde compris entre 4 et 100µm. L équipement pour ce type de mesure est le pyrgéomètre.

4.2.3.2. Les différentes mesures du rayonnement.

Les composantes du rayonnement solaire, notamment celles atteignant les bassescouches de l'atmosphère sont d'un très grand intérêt pour la météorologie. On distingueprincipalement selon sa provenance, sa constitution ou la méthode de mesure les paramètressuivants :

- Le rayonnement solaire direct (symbole I) : qui provient du disque solaire seulementà l'exclusion de tout rayonnement diffusé, réfléchi ou réfracté par l'atmosphère. Sa mesures'effectue avec un pyrhéliomètre, appareil dont la surface sensible est toujours disposéperpendiculairement aux rayons solaires, à l aide d un système rotatif géré par un programmeen langage Basic. Ce programme calcule toutes les 10 secondes la position du soleil (hauteuret azimut) et les transmet vers le moteur en impulsions mécaniques.

- Le rayonnement global (symbole G), diffus (symbole D) et infrarouge sont mesurésà l aide des pyranomètres installés sur une table horizontale. Le rayonnement global reçoittoutes les radiations de courtes longueurs d onde (0.28 à 4 µm) provenant du disque solaire etde l atmosphère. Le rayonnement diffus reçoit toutes les radiations diffusées par les nuages etles aérosols, sauf celles du disque solaire grâce à un pare-soleil, et le rayonnement infrarougetoutes les radiations comprises entre 0.69 et 4 µm à l aide d un filtre.

Les trois termes G, I et D sont reliés par la relation suivante :

G = I sin h + D (IV.5)

où h est la hauteur du soleil

A ces données caractérisant le rayonnement il faut ajouter la durée d'insolation, c'est àdire le temps pendant lequel le soleil est visible, et qui est mesuré par l'héliographe.

4.2.3.3. Structure du fichier de rayonnement

Une fois transférées sur PC, les données de rayonnement peuvent être visualisées auformat ASCII avec un enregistrement toutes les 3 minutes. Les valeurs du rayonnement enmillivolts sont ensuite converties en quantité énergétique (irradiance) suivant leurscoefficients de calibration.

Par exemple si le global vaut 6.5.mW et son coefficient de calibration k=8.67V/Wm-2 , en énergie il sera égal à

6.5 ×103 / 8.67 = 749.7 W.m2

de 131


A Tamanrasset les valeurs du rayonnement direct sont très élevées en périodehiver à cause de la pureté de l atmosphère. Elles peuvent atteindre les 1100 W.m2 , soit 80%

de la constante solaire égale à 1337 W.m2 et représentant la quantité d énergie reçue ausommet de l atmosphère.

Les valeurs de rayonnement restant très variables et dépendent fortement desconditions météorologiques, en particulier des nuages et des brumes de sable. Le rayonnementdiffus à Tamanrasset est très faible en période d hiver, de l ordre de 40 à 50 W.m2. Il devientpar contre important en période d été avec la présence des nuages et la brume de sable pouratteindre des valeurs de 250 à 300 W.m2

4.2.3.5. Étalonnage des pyranomètres et pyrhéliomètres

Les capteurs de rayonnement destinés au programme de la VAG sont du typeEppley (USA) et fournis par le laboratoire CMDL/NOAA de Boulder (USA).

étalonnage des capteurs de rayonnement est effectué à Tamanrasset chaqueannée durant des journées présentant un ciel clair, une très bonne visibilité et un vent calmeou faible, à l aide d un étalon « secondaire » fourni avec les équipements.

La procédure d étalonnage du pyrhéliomètre est relativement simple et automatisé.Il suffit de placer le pyrhéliomètre à étalonner à côté de l étalon. La comparaison des donnéesgénérées par les deux appareils et acquises directement sur PC permet d en déduire lecoefficient d étalonnage du pyrhéliomètre.

étalonnage du pyranomètre est quelque peu plus compliquée et nécessite desmesures manuelles intermittentes. L étalonnage est basé dans ce cas sur l égalité (IV.5)

G = I sin h + D ou G-D = I sin h

La mesure du rayonnement direct I est fournie directement par l étalon en W.m2

Les valeurs du rayonnement global G et du rayonnement diffus D sont mesurées de manièrealternée en mV. Le coefficient d étalonnage k sera obtenu par la relation

k = (G-D) / I sin h (IV.6)

OMM organise tous les cinq ans une campagne d étalonnage des étalonssecondaires au centre de rayonnement à Davos (Suisse).


Les données de rayonnement sont disponibles depuis septembre 1994. Elles sontenvoyées mensuellement sur disquette au CMDL/NOAA/Group Solar Radiation de Boulder(USA) qui fait actuellement fonction de centre d archivage des données de rayonnement desnouvelles stations VAG.

de 131

4.2.3.7. Mesure du rayonnement direct avec filtres

En plus des mesures précédemment citées et définies, quatre autres mesuresmanuelles du rayonnement direct sont effectuées à l aide d un pyrhéliomètre, d un porte filtreet d un multimètre numérique.

Ces mesures établies trois fois par jour, à 9, 12 et 15 heures TU, en absence totalede nuages autour du soleil, sont particulièrement utiles pour la détermination de la quantitédes aérosols, de la vapeur d eau et du trouble atmosphérique.

Les filtres utilisés pour ce type de mesures du rayonnement direct ont pourréférences : QG1 ( >0.53 m), RG2 ( >0.63 m), RG8 ( >0.695 m), et le direct total sansfiltre appelé Quartz Q ( >0.28 m).

4.2.3.8. Mesure du rayonnement ultraviolet

Le programme de la VAG a introduit la mesure de l UV du spectre solaire enraison de son influence sur le cycle de la végétation au sol, les problèmes de cancer de la peauet sa relation étroite avec la couche d ozone total. En effet les molécules d ozone absorbentfortement les radiations UV-B, ce qui montre que la diminution de la couche d ozone favorisefortement le passage de l UV-B.

Le système de mesure automatisé de l UV-B a été installé en janvier 1997 àTamanrasset, et fournit des données moyennes toutes les cinq minutes. La mesure de l UV-Bse fait dans la gamme 0.28 0.33 m.

Les données de l UV-B sont archivées mensuellement dans le même centre quecelui de l ozone en raison de la relation étroite qui relie ces deux paramètres.4.3. Mesures surle site de l Assekrem :

4.3.1. Site de l’Assekrem

Assekrem est une région touristique aride éloignée de la ville de Tamanrassetenviron 50 km. Elle se caractérise par ses reliefs, ses hauts plateaux et la nature de son sol

rocailleux.

Station VAG de l Assekrem 05 /04/2005

de 131

Le nombre de ses fidèles habitants dépasse rarement une dizaine sauf à l exceptionde visites touristiques ou autres. Ses coordonnées géographiques sont :

- La latitude : 23° 16 Nord- La longitude : 05° 38 Est

La station VAG de l Assekrem a été construite sur le plateau de l Assekrem (2710 m)durant l année 96 pour abriter les différents équipements de mesures destinés pour ce site.Cette station se trouve à 50 km au nord de Tamanrasset, 80 km par route avec 3 heures parvéhicules tout terrain. C est un site totalement isolé, devenu plus connu par la présence desreligieux (pères blancs) depuis 1955.

électricité n étant pas disponible sur ce site, la station est alimentée par énergiesolaire installée par le CDER/Alger. La station a été mise en service en mars 1997.

Compte tenu de son caractère d éloignement de toute source de pollution, le site a étéen conséquence retenu par l OMM en 1992 pour effectuer des mesures spécifiques depollution de fond qui sont :

• La mesure de l ozone en surface (ou ozone troposphérique)• La mesure des aérosols de carbone suie• La mesure d aérosols de dimensions < 10 m• Le comptage des particules de poussière• échantillonnage des gaz à effet de serre (CO2, CH4, CO).

Un projet de mesure en continu du monoxyde de carbone et du carbone suie est encours d élaboration.

Dans le cadre du plan de développement de la météorologie nationale, il est prévuachat d équipements nouveaux et le renouvellement d appareils défectueux.

4.3.2. Ozone de surface


ozone de surface (ou ozone troposphérique)représente la concentration des molécules O3près du sol ; Il est considéré comme un gaz àeffet de serre passif et contribue indirectementau réchauffement des basses couches. Il estexprimé en ppb (partie par billion). (1billion=10-9).

Le modèle sur la photo, utilisé sur le site de l Assekrem, est un appareil à photométrieUV double banc optique, pour la mesure continue et en temps réel de l ozone de l air ambiant.Le principe de mesure consiste à mesurer l intensité de la lumière à travers deux cellules

Analyseur d’ozone

de 131

différentes : l une contenant l air zéro (sans ozone) grâce à un ozoniseur interne pourdéterminer la valeur de I0, l autre contenant l air atmosphérique (avec ozone) pour déterminer

intensité atténuée I. Le rapport entre les deux intensités correspond à la lumière absorbée parozone selon la loi de Beer-Lambert suivante :

I / (I0) = exp (-KLC) (IV.7)

K = coefficient d absorption moléculaire, 308 cm-1 (à O° C et 1 atm.)L = longueur de la cellule, 38 cmC = concentration de l ozone en ppmI = intensité de la radiation UV en présence de l échantillon d ozoneI0 = intensité de la radiation UV en absence de l échantillon d ozone

air atmosphérique est aspiré à travers un tube en téflon d une pompe interne deappareil. Le résultat de la mesure est stocké chaque minute dans un micro-ordinateur.

Les valeurs de l ozone de surface à l Assekrem varient en général entre 30 et 60 ppbavec un maximum en été et minimum en hiver comme l ozone total. Dans les cités urbaines,

ozone de surface est surtout produit par réaction chimique des échappements de véhiculesavec l air atmosphérique (notamment par température élevée). À l Assekrem l ozone desurface est surtout d origine stratosphérique par incursion à travers la tropopause.

4.3.2.2. Acquisition des données

Les données sont stockées automatiquement sur le PC de la station VAG et affichées enmême temps sur l analyseur. Elles sont régulièrement envoyées au centre de Tamanrassetpour le contrôle, le traitement, l analyse et l archivage.

La capacité mémoire d un fichier journalier de l ozone de surface est de l ordre de 84Kbytes, soit environ 2.5 Mbytes en un mois ou 30 Mbytes en une année.

4.3.2.3. Étalonnage de l’analyseur d’ozone

Le contrôle de l analyseur de déroule de deux manières : un contrôle interne tous lesmois à partir du générateur d ozone interne pour vérifier le bon fonctionnement de l analyseuret un contrôle (étalonnage) à l aide d un calibreur d ozone deux fois par an ou chaque foisqu il y a une intervention dans l appareil.

La procédure de contrôle interne est automatisée dans le programme d acquisition. Ilsuffit de lancer certaines fonctions pour obtenir les résultats de contrôle et les comparer avecles valeurs fournies avec l équipement pour déduire si l appareil fonctionne normalement.

L étalonnage doit être effectué à l aide de l étalon fourni avec l équipement. Cetteprocédure nécessite une installation de l étalon en série avec l analyseur pour vérifiercertaines valeurs standard (seuils).

de 131


Les données de l ozone de surface sont archivées en fichiers quotidiens. Elles sontenvoyées tous les semestres au LISA à Paris qui a assuré la fourniture des équipements et laformation en collaboration avec l OMM. Le centre mondial d archivage des données de

ozone se trouve à :

WMO World data Centre for Greenhouse Gasesc/o Japan Meteorological Agency1-3-4 Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo 100-8122 Japan

4.3.3. Mesure du black carbon (ou suie de carbone)


Le carbone suie ou le black carbon est un aérosol decouleur noire provenant des effets de combustioncausés par les moteurs des véhicules ou engins de lacirculation ou tout autre processus d industrieutilisant les moteurs. Les sources majeures ducarbone suie peuvent être groupées dans troiscatégories générales : la combustion de combustiblespour la génération d énergie, la brûlure des déchetsagricoles ou industriels, et les incendies de forêts.

appareil de mesure du black carbon estaéthalomètre.

équipement de mesure du black carbon consiste en une ligne d échantillonnageair à l extérieur de la salle, d une pompe d aspiration, d un analyseur

(aéthalomètre) et un PC pour l acquisition des données.

L air atmosphérique est aspiré à travers un filtre placé dans le compartiment optique deaéthalomètre. Le filtre se noircit progressivement par dépôt des aérosols. Une lampe émet de

la lumière dans le spectre visible qui sera atténué à travers le dépôt (l aérosol back carbone estle seul absorbant dans le visible). Les concentrations sont obtenues par mesure

accroissement du noircissement en se référant aux données d atténuation des mesuresprécédentes (mesures relatives).

La seule intervention manuelle consiste à changer le filtre en cellulose (partie lisse versle haut) du compartiment optique lorsque l atténuation (charge du filtre) dépasse 80%. Apartir de l atténuation 75% un bip sonore prévient de la nécessité de changer le filtre. Si lasaturation du filtre est atteinte, la mesure est interrompue et la pompe s arrêteautomatiquement. La durée de vie du filtre dépend des conditions atmosphériques et nedépasse pas en général les 36 heures.

L unité de mesure du black carbon est le ng/m3 (1 ng = 10-9 g)

Les valeurs du black carbon dépendent fortement des conditions météorologiques. Ellessont très élevées en présence de la brume de sable et peuvent dépasser les 600 ng/m3. Elles

de 131

sont par contre très faibles par des journées de bonnes visibilités et ciel clair avec des valeursde 60 ng/m3. Le black carbon subit également une variation diurne avec des minimums durantla nuit et des maximums au début de l après-midi en présence de bonnes conditionsmétéorologiques.


L acquisition des données se fait automatiquement après avoir configuré au niveau duPC relié à l aéthalomètre, l heure de démarrage des mesures, le pas de temps, la référence desensibilité de l appareil et le débit à 18 litres/minute.

Pour un mois les données de black carbon occupent un espace mémoire de l ordre de 56Kbytes pour un pas de temps d une heure.


L acquisition fournit des fichiers quotidiens qui sont ensuite groupés en en seul fichiermensuel pour faciliter le traitement et l archivage. Les filtres et les données sont envoyés tousles semestres à Paris pour un traitement et analyse en vue de la détermination desconcentrations de certains éléments chimiques.

Le centre mondial d archivage des données du black carbon est situé à :

European Commission Joint CenterEnvironment Institute12020 ISPRA (VA) ITALY

4.3.4. Mesure de la concentration des aérosols

4.3.4.1.Définition et principe de mesure

Tête de prélèvement de l’air situéeà l’extérieur sur le toit de la station

Microbalance

Unité de contrôle

Système ACCU

de 131

On définit un aérosol comme la suspension dans un milieu gazeux de particulessolides ou liquides ou les deux, présentant une vitesse de chute, dans des conditions normales.

aérosol correspond à des particules de dimensions inférieures à 100µm. Leurs sourcesémission peuvent être d origine naturelle (érosion éolienne, embruns marins, cendres

volcaniques, particules d origine végétale) ou d origine anthropique (liée directement auxcombustions des grandes industries, centrales électriques, etc.).

La mesure des concentrations de poussières est primordiale pour les problèmes debilan énergétique et la navigation aérienne. Les aérosols diffusent une grande quantité durayonnement direct provenant du soleil et joue un rôle important dans l effet de serre enréfléchissant le rayonnement terrestre. Ils réduisent fortement la visibilité horizontale etverticale et perturbent la navigation aérienne.

équipement de mesure des concentrations des aérosols comprend :

• Une tête PM-10 ( Particular Matter 10 m)• Une ligne d échantillonnage vertical• Une pompe d aspiration assurant un débit total de 16.67 l/mn (1 m3 par heure)• Une balance de haute précision• Un analyseur d acquisition des données (TEOM-1400A)

Le principe est basé sur des pesées d aérosols, de dimensions inférieures à 10 m encontinu toutes les deux secondes, qui sont aspirés par un débit de 3litres/minute sur un filtre à

intérieur du compartiment de la balance. L échantillonneur TEOM calcule pour chaquepériode de cinq minutes la concentration moyenne C en connaissant sa masse m cumulée surle filtre sur un volume d air V de 1 m3 , soit :

C = m / V (IV.8)

La concentration C des aérosols , exprimé en µg/m3 , est mesuré à l aide d une balanceélectronique de grande précision ( µg ) suite à l aspiration d air atmosphérique à l aide d unepompe externe de débit 3 litres/minute. Cette pompe aspirent uniquement les particules < 10µm. L acquisition est continue H24 et les données sont fournies toutes les 30 minutes. Lespesées successives des dépôts des aérosols sur un filtre sont traitées et calculées à l aide dumodule de stockage des données, le TEOM.

Le filtre des aérosols, à l inverse de celui du black carbon, peut durer de 10 à 15 joursen présence de bonnes conditions météorologiques.

En hiver les concentrations des aérosols sont très faibles en absence de poussièresdurant cette période de l année, elles sont inférieures à 50 µg/m3, par contre en été ces valeurssont plus élevées et dépassent les 300 µg/m3, voire 400 µg/m3.


Le TEOM dispose d un buffer pour le stockage des données qui sont transférées sur PCà l aide d un programme spécifique. Il dispose également d un clavier digital pourprogrammer certaines options comme le pas de temps, le nom de la station, le changement dela température et de la pression moyenne.

de 131

4.3.4.3. Système ACCU (Automatic Cartridge Collection Unit)

équipement ACCU est doté d un ensemble de huit vannes sur lequel sontplacés des filtres pour le dépôt des aérosols. Ces filtres sont envoyés à Parispour déterminer la composition chimique des aérosols. L air est aspiré àtravers la même ligne d échantillonnage que celle utilisée pour la mesure dela concentration des aérosols.

Chaque vanne débite de l air sur le filtre pendant 24 heures puis bascule sur l autrevanne et ainsi de suite jusqu à la septième vanne. On change ensuite les sept filtres au boutdes sept jours et on enchaîne la mesure sur la huitième vanne.

La visualisation de l état de fonctionnement de l ACCU, canal en cours, durée deéchantillonnage (programmée à l Assekrem sur 24 heures) et volume aspiré pour chaque

filtre, etc., peuvent être visualisé sur PC.

4.3.5. Comptage des particules


Les particules en suspension ou les matières particulaires sont un polluantatmosphérique consistant en un mélange complexe de substances organiques et minérales ensuspension dans l air, sous forme solide et/ou liquide. Ces particules sont de taille, decomposition et d origine diverses. Leurs propriétés se définissent en fonction de leurdiamètre aérodynamique appelétaille particulaire.

Elles ont une origine naturelle pour plus de la moitié d entre elles (éruptionsvolcaniques, incendies de forêts, soulèvements de poussières désertiques) et une origineanthropique (combustion industrielle, incinération, chauffages, véhicules automobiles). Ellesont des effets néfastes sur la santé

Le comptage des particules par classes granulométriques : 0.3 µ m, 0.5µm, 0.7 µm , 1 µm , 2 µm et 5 µm soit six classes est effectué à l aide

un compteur laser. Ce procédé nous permet de connaître le nombre departicules pour chaque classe dans un volume de 1 litre d air. Les finesparticules autour de 0.3 µm sont toujours les plus élevées et vont endécroître jusqu au grosses particules de 5 µm. Les fines particules sontles plus dangereuses pour le système respiratoire.

Le compteur, facile à transporter et pouvant fonctionner sur 4 piles rechargeables,dispose d une petite pompe interne qui aspire l air à travers un orifice (tête conique). Unsystème à rayons lasers à l intérieur du compteur émet continuellement un faisceau lumineuxde fréquences différentes qui seront réfléchies par les particules et reçues par un détecteur.Chaque fréquence étant sensible à une gamme de particules, les fréquences réfléchiesdétermineront le nombre de particules spécifiques pour chaque gamme.

R =0.131

de 131


Trois mesures minimales sont effectuées par jour en toutes conditions météorologiques,9, 12 et 15heures TU. La mesure s effectue à l extérieur de la salle, le compteur étant poséhorizontalement sur une table ou un support approprié.

L appareil pour le site de l Assekrem est programmé pour 10 échantillonnages avec unedurée de 1 minute et une pause de 5 secondes. Le nombre de particules pour chaque gammereprésentera le nombre moyen de particules aspirées pendant 1 minute de prélèvement.


Il est bien évident que le nombre de particules mesurées dépend de la duréeéchantillonnage. Dans notre cas, c est le nombre moyen (de 10 échantillons) de particules

aspirées pendant 1 minute. Le nombre de fines particules 0.3 m est toujours le plus élevé etdécroît au fur et à mesure que la taille des particules croît.

Les résultats des mesures à l Assekrem montrent que le nombre departicules est très élevé durant les journées de brume de sable et les journées de vent fort ; lesvaleurs extrêmes pour les particules 0.3 m peuvent atteindre les 200 000 et pour 0.5 m lavaleur de 3000. Pour des journées de très bonnes visibilités et vent calme, les valeurs de 0.3

m descendent jusqu à 10 000 et pour 0.5 m à 15 particules.

4.3.5.4. Envoi des données des aérosols

Le centre mondial de traitement et d archivage des données est situé à Ispra en Italiecomme pour le black carbon.

4.3.6. Echantillonnnage des gaz à effet de serre


Les activités humaines provoquent, à une vitesse croissante, une modification de lacomposition de l'atmosphère. Si les habitants de la terre conservent le même mode de vie, laconcentration de l'ensemble des gaz à effet de serre, exprimés en équivalent CO2, seraitdoublée d'ici 50 ans.

Les différents gaz mis en jeu dans ce phénomène ont une capacité différente à absorberla chaleur. Celle-ci peut varier d'un facteur compris entre 1 (gaz carbonique) et 7000 (CFC12- un des nombreux chlorofluorocarbures). En fonction de leur concentration dans l'atmosphèreet de leur pouvoir à absorber la chaleur, on a pu étudier la contribution des divers gazconcernés au réchauffement de la terre.

de 131

Fig IV.2. Contribution des différents gaz au réchauffement du climat (décennie 1980)

La concentration croissante des gaz à effet de serre (GES), et notamment du dioxyde decarbone (CO2), menace d altérer le climat et le temps de la Terre et risque de conduire à unréchauffement généralisé progressif au cours du siècle prochain.

Le suivi de la concentration des GES est donc d une importance cruciale pour l avenir dela planète. Certains GES sont surveillés partout sur le globe : le méthane (CH4), leshydrocarbures chlorofluorés (CFC) et l hémioxyde d azote (N2O). L ozone troposphérique estégalement considéré comme un GES, [20].

L OMM surveille le niveau de CO2 depuis les années 60, époque où elle a établi unréseau mondial qui, depuis lors, a été intégré à la VAG, principale source d informations surla chimie de l atmosphère relevant de l Organisation.

Dans le cadre de l application du programme de la VAG, des prélèvements d airatmosphérique sont effectués, au niveau de la station de l Assekrem, une fois parsemaine à l aide de 2 bouteilles spéciales de 1.5 litres fournies par la NOAA(Boulder USA) pour constituer un échantillon.

Ces bouteilles sont envoyées régulièrement au laboratoire de laNOAA pour analyse chimique afin de déterminer les concentrations des principaux gaz à effetde serre : CO2 (en ppm), CH4 (en ppb), CO (en ppb). Cette mesure est effectuée depuisseptembre 95 avant même la construction de la station de l Assekrem. Le prélèvement d air

effectue à l air libre à l aide d une pompe interne fonctionnant avec une batterie de 12 V.

Le prélèvement d air s effectue à l extérieur de la salle à l aide d une mallettespéciale à environ 50 m loin de tout obstacle. L air est aspiré à l aide d unepetite pompe fonctionnant avec une batterie de 12 V à travers un tube déployéverticalement d environ 5 mètres. La durée de la purge des bouteilles est de 5minutes alors que celui de l échantillonnage est de 1 minute.

de 131

4.3.6.2.Acquisition des résultats

Les résultats d analyse des bouteilles sont envoyés par fax et concernent laconcentration du CO2, CH4 et CO.

Le CO2 et CH4 sont considérés comme des gaz à effet de serre actifs. Ils absorbentfortement le rayonnement terrestre de grande longueur d onde. Le CO est quant à lui un gazqui interagit avec d autres gaz pour constituer un gaz à effet de serre.

Le grand intérêt de ces mesures de gaz sur l Assekrem est l absence de l effet de lavégétation qui joue un grand rôle dans l émission de CO2. Le site de la station VAG présenteun sol totalement rocailleux.

Les données de ces gaz sont envoyées au centre mondial des aérosols au Japon

WMO World data Centre for Greenhouse Gasesc/o Japan Meteorological Agency1-3-4 Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo 100-8122 Japan

de 131

CHAPITRE 5

ANALYSE DES DONNEES DE LA STATION VAG

5.1. Préambule

La prévision de la qualité de l air à l échelle d une région ou d une nation nécessite lamise au point d outils de prévision. Ces outils, comme en météorologie, sont basés sur desmodèles mathématiques ou physiques qui comportent de nombreuses incertitudes. Comme laqualité de l air dépend à la fois des émissions de polluants, mais aussi et surtout desconditions météorologiques, la prévision de la qualité de l air est en réalité confrontée à unetriple incertitude : la limite des connaissances de la chimie de l atmosphère, l incertitude surles émissions et celle sur les paramètres météorologiques.

Il ne s agit pas ici dans notre contexte d établir un quelconque modèle ou de déterminerindice de qualité de l air dans cette partie du Hoggar, mais d établir des corrélations entre

certains paramètres climatologiques et certains polluants pour montrer leurs éventuellesrelations. Il s agira donc de choisir les paramètres à prendre en compte et de les mettre encorrélation à travers des méthodes statistiques appropriées.

Nous traiterons dans ce chapitre l ensemble des paramètres mesurés dans les deuxsites : depuis 1995 pour Tamanrasset « ville », soit 10 années de données, et depuis mars 1997pour l Assekrem, soit 08 années de données. Le traitement comprendra principalement uneanalyse descriptive des évolutions mensuelles et annuelles avec des tableaux des résultatsstatistiques obtenus et illustrations graphiques correspondantes, calculs de certains paramètrescomme les corrélations, régressions, etc. Le logiciel utilisé pour notre étude est « SYSTAT10.2. For Windows ».

Les paramètres retenus pour l analyse de ces deux sites sont :

Paramètre Période d’étudeTrouble atmosphérique 1995 2004

Rayonnement 1995 2004TamanrassetOzone total 1994 2004

Ozone en surface 1997 2004Aérosols 1997 2004

Carbone suie 1997 1999Particules de poussières 1997 2004

Assekrem

Gaz à effet de serre 1995 2004

Les données utilisées pour l’analyse ont été majoritairement fournies par le centremétéorologique de Tamanrasset. Certaines données ont trouvées source auprès de centresmondiaux d archivage des données de pollution de fond.

Un traitement préalable a été nécessaire pour aboutir à une forme correcte et exploitabledes données pour nos diverses analyses et commentaires.

de 131

5.2. Analyse des données de Tamanrasset

5.2.1. Trouble atmosphérique

N Minimum Maximum Moyenne Ecart-type1995 12 47 464 258 1331996 12 58 446 204 1201997 12 59 464 236 1591998 12 37 570 272 1981999 12 34 429 201 1272000 11 28 429 230 1542001 12 26 349 166 1172002 11 39 404 241 1352003 12 35 635 252 1742004 12 32 466 200 125

Tableau V.1. Statistiques descriptives du trouble atmosphérique en 1/1000 (sans dimension)

Fig. V.1. Histogramme des valeurs moyennes mensuelles du trouble 1995 -2004

Les valeurs du trouble à Tamanrasset sont très faibles en hiver, de novembre à février,et descendent au-dessous de 0.100 avec des minimums inférieurs à 0.010 par ciel très limpide.

En été l atmosphère est plus troublée en présence de la brume de sable (aérosols) et lesvaleurs du trouble augmentent rapidement et dépassent souvent les 0.500.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

de 131

5.2.2. Rayonnement solaire et Ultraviolet

La station de Tamanrasset dispose d équipements variés et performants dans leurensemble. La disposition d un étalon secondaire au niveau de la station, de par sa qualité decentre radiométrique, lui permet d effectuer également le contrôle et l étalonnage deséquipements solaires du réseau météorologique national.

Nous ne présenterons, compte tenu du volume considérable de données d une part etselon les données mises à notre disposition d autre part que les variations interannuelles desdivers rayonnements. Les données sont exprimées en mégajoules.

Nous remarquons dans le tableau de valeurs ci-dessous que le rayonnement UB-Bmesuré au niveau de la station de Tamanrasset varie très peu.

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003Rayonnement

direct 8477.9 9252.2 8785.2 8422.5 8365.0 8843.7 10085.0 8692.1 8413.1

Rayonnementglobal 7951.7 8031.6 7756. 8034.9 8376.4 8393.1 88.35 8425.8 8397.8

Rayonnementdiffus 2037.1 1822.9 1957.5 2167.2 1929.3 2376.6 2126.4 2496.7 2556.4

Rayonnementinfrarouge 4119.7 4230.1 4150.8 4265.8 4499.9 4421.1 4595.6 4427.5 4362.3

RayonnementUV-B 22.43 22.15 24.04 22.94 23.40 21.71 22.30

Tableau V.2. Totaux annuels des composantes du rayonnement

Fig. V.2. Variations interannuelles du rayonnement solaire à Tamanrasset

Direct Global Diffus

de 131

On note que le rayonnement direct est important dans la région du Hoggar et dépasse les 8000MJ dans tous les cas. L énergie maximale est atteinte en 2001 avec 10008.5 MJ, soit plus de10 Giga- joules.

Le rayonnement global est aussi important et l année 2001 a connu un total maximal de8835.6 MJ suivi par l année 2002 avec 8425.8 MJ. L énergie diffuse nous renseigne sur le degré de présence des nuages et des aérosols.Elle est maximale en 2002 avec un total de 2496.7 MJ. La contribution du diffus par rapportau global est en moyenne de l ordre de 25%. Le total maximal pour le rayonnement UV-B,qui n apparaît pas sur le graphe, est de 24.04 MJ en 1999 avec une contribution moyenne de2.77 pour 1000 par rapport au global.

5.2.3. Ozone total

N Minimum Maximum Moyenne Ecart-type1994 8 245,00 287,00 267,75 16,871995 12 246,00 274,00 263,50 8,121996 12 249,00 282,00 269,41 10,381997 12 243,00 284,00 267,83 11,241998 12 249,00 290,00 274,91 13,761999 12 249,00 292,00 273,33 14,742000 9 251,00 285,00 271,44 12,192001 12 248,00 289,00 273,50 13,912002 12 244,00 282,00 266,66 11,442003 12 256,00 291,00 276,75 12,122004 9 254,00 281,00 265,77 10,40

Tableau V.3. Statistiques descriptives de l ozone total en DU

Fig. V.3. Évolution annuelle de l ozone total à Tamanrasset 1995 -2004

de 131

La figure V.3 nous montre bien que la couche moyenne d ozone total à Tamanrasset estplus fine en hiver avec un minimum de 255 DU en décembre et plus épaisse en été avec unmaximum de 285 DU en juillet.

La déperdition maximale a été enregistrée le6/1/97 avec 224 DU, alors qu elle était plusépaisse le 4/8/02 avec un maximum absolu de 317 DU.

5.3. Analyse des données de L’Assekrem

5.3.1. Climatologie du site

La région de l Assekrem correspond aux valeurs météorologiques normales suivantes :

• Température minimale moyenne : 08.9 °C• Température minimale absolue : -13.5 °C (Janvier 1993)• Température maximale moyenne : 18.1 °C• Température maximale absolue : 28.3 °C (Juin 1989)• Nébulosité moyenne : 2.5 octas• Évaporation moyenne : 11.7 mm• Vent moyen : 5.6.m/s• Précipitations : 120 mm

5.3.2. Exploitation des données

Paramètresmesurés

Début desmesures

Fréquencedu fichier

Traitement desdonnées Observations

Aérosols 05-10-97 1/2 Heure Moyenneshoraires

Carbone suie 21-03-97 1 Heure Moyenneshoraires

Mesures arrêtéesle 16-10-99

Gaz à effet deserre 12-09-95 1 Semaine Moyennes

mensuellesOzone ensurface 22-03-97 1 Minute Moyennes

horairesPannes

fréquentesParticules de

poussières 21-03-97 3 Fois/jour Moyenneshoraires

Particules depoussières 21-03-97 3 Fois/jour Moyennes

horairesParamètres

météorologiques1955 à 1996Depuis 1996

3 Fois/jour8 Fois/jour

Moyennesjournalières

Tableau V.4. Fréquences de mesure des polluants à l Assekrem

de 131

5.3.2.1. Ozone en surface

L analyseur de l ozone troposphérique utilise un système optique nécessitant une sourcealimentation stable et régulée. Ce n est pas le cas pour le site de l Assekrem alimenté

entièrement en énergie solaire.

Les coupures relativement fréquentes dues à une énergie insuffisante occasionnent despertes de données. Lors d une coupure et même après remise sous tension, l analyseurnécessite au moins une heure de temps pour se stabiliser.

N Minimum Maximum Moyenne Écart-type1997 10 28,00 43,00 35,8000 4,93961998 12 30,00 47,00 38,5000 5,21361999 10 30,00 44,00 37,1000 4,06752000 12 30,00 45,00 37,8333 4,36582001 12 28,00 47,00 36,3333 5,98992002 12 22,00 35,00 29,4167 4,42022003 12 32,00 46,00 39,7500 5,24192004 12 32,00 45,00 39,9167 3,6546

Tableau V.5. Statistiques descriptives de l ozone en surface en ppb

Fig. V.4. Évolution des moyennes annuelles de l ozone à l Assekrem

L interprétation des résultats des moyennes annuelles de l ozone de surface àAssekrem, représentés par la figure V.4, permet de constater qu après une croissance de

1997 à 1998, l ozone présente un profil pratiquement plat entre les années 1998 et 2001.Unechute est ensuite amorcée jusqu en 2002 pour ne cesser de croître jusqu en 2004

de 131

Les teneurs en ozone varient avec les saisons ; elles sont en général toujours supérieuresen été, car la production d'ozone résulte d'un processus photochimique (action durayonnement solaire). Les épisodes de fortes concentrations en ozone se rencontrentprincipalement durant les mois de juin, juillet et août

On observe toutefois à travers la figure V.5 que les maxima des épisodes sont construitssur une valeur de background qui augmente à la sortie de l'hiver (février-mars) pour diminuerau début de l'automne (septembre-octobre). En plus des épisodes de fortes concentrations, ilexiste donc un fond permanent d'ozone.

Fig. V.5.Evolution des moyennes mensuelles de l ozone à l Assekrem 1995 -2004

Relations entre l’ozone de surface et les paramètres météorologiques de 1997 à 2004

Les mesures de l ozone deviennent de plus en fréquentes en égard à son influencereconnue néfaste sur la santé de l homme. Sa mesure devient incontournable dans ladétermination de la qualité d l air. Nous allons dans ce qui suit déterminer les relations de

ozone en surface relevé à l Assekrem avec certains paramètres météorologiques. Nousétablirons pour cette analyse la droite de régression y et le coefficient de corrélation R. Lespoints rouges sur les différents graphes sont des points non considérés. Cook s distancedétermine ici le degré de rapprochement des données vis-à-vis de la droite de régression.

de 131

Les résultats obtenus, avec un coefficient de corrélation de 0.109 montre que l ozoneest pas relié directement à la température. Cette absence de relation démontre également

que l ozone n est pas produit photochimiquement sur le site.

Faible corrélation entre l ozone et l humidité. Les teneurs en ozone les plus élevéesobtiennent pour des humidités relatives faibles.

Pas de relation entre l ozone et la vitesse du vent. Le vent local varie entre 0 et 10 m/s.Les niveaux d ozone les plus élevés sont obtenus pour des vents moyens entre 4 et 6 m/s

y = - 0.011 + 37.776 R = 0.0109

y = - 0.0385 + 48.989 R = 0.601

y = 0.589 + 32.796

de 131

Globalement le ciel est plutôt dégagé à l Assekrem. Notons que le niveau moyenozone (35 ppb) est souvent obtenu quelque soit la couverture nuageuse.

Ceci constitue une preuve supplémentaire sur l origine de l ozone troposphérique àAssekrem, c est à dire qu il n est pas produit localement, mais résulte de phénomènes de

transports à grandes distances 5.3.2.2. Aérosols

N Minimum Maximum Moyenne Ecart-type1997 3 41,00 114,00 70,00 38,741998 4 29,00 226,00 102,25 94,091999 10 22,00 155,00 80,90 40,102000 12 9,00 127,00 67,50 43,742001 12 12,00 123,00 62,91 38,492002 6 9,00 227,00 103,833 81,332003 10 43,00 158,00 95,90 33,632004 5 20,00 137,00 68,00 47,40

Tableau V.6. Statistiques descriptives des aérosols en g/m3

Fig. V.6. Évolution mensuelle des aérosols à l Assekrem 1997-2004

y = -2.701 + 42.795 R = 0.404

de 131

après la figure V.6, les concentrations des aérosols sont minimales en hiver pendantlesquelles les conditions de visibilité sont très bonnes à excellentes. Le maximum se produitsoit au printemps ou durant l automne où la nébulosité est importante car les nuages onttendance à bloquer le processus des déplacements verticaux des aérosols. Le maximum absolu de 998 g/m3 relevé le 14/03/1998 correspond à une journée où leparamètre de visibilité a été estimé à 10 km. La valeur minimale absolue observée le 06/12/2000 correspondait à une situationmétéorologique très favorable, ou la visibilité avoisinait 100 km. En moyenne, les concentrations majoritaires sont inférieures à 125 g/m3 et leurfréquence d observation est de 85%.

5.3.2.3. Particules de poussière A l Assekrem, le comptage des particules de poussière est effectué selon 6 calibresdifférents. Les mesures des concentrations sont données en « nombre de particules/litre » :

• Calibre 1 : inférieures à 0.3 m• Calibre 2 : de 0.3 m à 0.5 m• Calibre 3 : de 0.5 m à 0.7 m• Calibre 4 : de 0.7 m à 1 m• Calibre 5 : de 1 m à 2 m• Calibre 6 : de 2 m à 5 m

Le comptage des particules de 5 m à 10 m ont débuté en janvier 2003, mais deslacunes de données ont été constatées durant tout le premier semestre de l année 2005. Ellesne seront donc pas prises en compte dans notre analyse.

Jan Fév Mar Avr Mai Jun Jul Aou Sep Oct Nov Déc

< 0 -3 5355 6254 10283 15099 15338 15663 16861 19989 16628 10578 7720 55980.3 – 0.5 3330 2240 5158 8343 9572 8873 6040 8502 7323 5330 2907 14070.5 – 0.7 1454 990 3179 5481 6269 5842 4207 4410 4704 3077 1528 7420.7 - 1 1001 694 2325 4018 4575 4414 3116 3359 3576 2547 1074 5371 - 2 277 251 916 1382 1608 1815 1102 1260 1367 839 412 1782 - 5 40 33 132 177 205 299 129 169 199 135 72 27

de 131

Tableau V.7. Moyennes mensuelles des particules 1997 -2004

Fig. V.7. Évolution des particules de 0.3à 0.7 m

Fig. V.8. Évolution des particules de 0.7 à 5 m

Dans les figures V.7 et V.8 nous avons présenté les différentes évolutions desdifférentes catégories des particules.

Dans tous les cas, nous constatons que les concentrations des particules pour toutes lesgammes sont maximales au printemps, période durant laquelle les phénomènes brumeux sontfréquents, et en été où la couverture nuageuse est importante empêchant ainsi la dispersion enaltitude des particules de poussière. Les minimums sont principalement marqués durant lapériode d hiver.

L analyse simultanée des six courbes de variation des moyennes mensuelles montre queles concentrations des particules n agissent pas de la même manière. Les particules fines sontmajoritaires, aux concentrations très élevées, et possèdent en outre un écart de grandeur trèsimportant par rapport aux autres concentrations.

5.3.2.4. Gaz à effet de serre

de 131

L échantillonnage des GES au site de l Assekrem s effectue une fois par semaine, tousles samedi après-midi. Chaque échantillon est composé de deux flacons qui après lesprocédures de remplissage sont envoyés au laboratoire de NOAA à Boulder (USA) pouranalyse chimique en vue de déterminer les concentrations des gaz suivants :

• Le dioxyde de carbone (CO2) en ppm• oxyde de carbone (CO) en ppb• Le méthane (CH4) en ppb• Le protoxyde d azote d azote (N2O) en ppb• Hydrogène (H2) en ppb• hexafluorure de soufre (SF6) en ppt

Les résultats des analyses sont communiqués au centre de Tamanrasset à la fin dechaque année par fax.

5.3.2.4.1. Le CO2

N Minimum Maximum Moyenne Écart-type1995 2 357,00 358,00 357,50 0,701996 10 358,00 365,00 362,30 2,661997 10 359,00 367,00 363,20 2,651998 10 363,00 370,00 366,40 2,361999 9 364,00 371,00 367,88 2,712000 10 366,00 373,00 369,90 2,882001 8 368,00 374,00 371,25 2,762002 10 369,00 377,00 373,40 2,792003 10 373,00 379,00 375,90 2,282004 10 373,00 377,70 3,02

Tableau V.8. Statistiques descriptives du CO2

de 131

Tableau V.8. Statistiques descriptives du CO2

La figure VI.9 ci-dessous représente les variations de la moyenne mensuelle du CO2 de 1995à 2004, c est à dire la moyenne de chaque mois (janvier, février, etc.) calculée pour toute lapériode de 1995 à 2004. La figure VI.10 représente quant à elle les variations mensuelles annuelles du CO2 de1995 à 2004, c'est-à-dire la moyenne mensuelle de chaque mois (janvier, février, etc.) pourchaque année (1995, 1996, etc.). Les valeurs de l abscisse désignent le numéro du mois (parexemple 36 signifie le 36 ème mois de la période 1995-2005 et correspond à l année 1997.).Le zéro de l échelle correspond au début de l année 1995.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Mois

360

365

370

375

Con

cent

ratio

n en

ppm

Fig. V.9. Évolution de la moyenne mensuelle du CO2

Fig. V.10. Évolution de la moyenne mensuelle annuelle du CO2

Les concentrations du CO2 sont maximales au printemps et minimales en automne. Ellesont une tendance de croissance mensuellement (Fig. V.9) et une augmentation presquelinéaire d une année à une autre (Fg.V.10) de la concentration du CO2 de l ordre de 2 ppm/an

de 131

Cette hausse graduelle du CO2 à l Assekrem depuis 1996 démontre que celui esttransporté sur de longues distances d une part et contribue d autre part à l effet de serre avéré,entraînant de ce fait un réchauffement de la planète.

Cette hausse du même ordre de grandeur, soit 2.2. ppm/an, est également observée à lastation VAG d Izana située dans les Îles Açores à 2367 m d altitude.(Figure V.11)

Fig. V.11. Évolution du CO2 dans les Açores (Source : World Data Centre for Greenhouse Gases)

5.3.2.4.2. Le CO

N Minimum Maximum Moyenne Écart-type1995 4 89,00 102,00 97,25 6,701996 12 79,00 137,00 101,08 18,361997 12 70,00 131,00 100,25 21,411998 12 97,00 143,00 115,00 16,661999 11 79,00 133,00 98,81 17,082000 12 76,00 124,00 97,33 14,902001 10 65,00 112,00 94,00 16,052002 12 86,00 127,00 105,66 13,542003 12 87,00 124,00 105,91 12,992004 11 83,00 124,00 102,72 15,90

Tableau V.9. Statistiques descriptives du CO

de 131

Fig.V.12. Évolution mensuelle du CO Fig.V.13. Évolution annuelle du CO

Les concentrations du CO à l Assekrem sont maximales de février à avril et minimalesen automne (Figure V.12). Quant à l évolution annuelle, on note une pointe de croissancedurant l année 1998 (Figure V.13).

Nous noterons cependant que durant cette année on trouve le maximum deconcentration atteignant une valeur de 143 ppm. On pourrait penser que cela correspond à unépisode de pollution particulier pour ce site éloigné de source anthropique.

5.3.2.4.3. Le CH4

N Minimum Maximum Moyenne Ecart-type1995 4 1750,00 1768,00 1762,00 8,161996 12 1736,00 1774,00 1754,00 9,781997 12 1742,00 1781,00 1757,91 10,741998 12 1755,00 1786,00 1770,08 9,681999 11 1770,00 1786,00 1779,00 5,942000 12 1763,00 1803,00 1779,66 10,542001 10 1766,00 1789,00 1778,70 7,802002 12 1768,00 1792,00 1779,58 8,982003 12 1772,00 1792,00 1782,50 6,212004 11 1770,00 1793,00 1780,36 7,46

Tableau V.10. Statistiques descriptives du CH4

de 131

Fig. V.14. Évolution mensuelle du CH4 Fig. V. 15. Évolution annuelle du CH4

Le CH4 est maximum en hiver et au printemps et il est minimum en été (Figure V.14).Il chute légèrement en 1996 pour ensuite amorcer une croissance régulière jusqu en1999 où il se stabilise plus ou moins jusqu en2004.

5.3.2.4.4. Autres gaz

En plus des principaux gaz à effet de serre analysés dans le paragraphe précédent,autres données de gaz sont disponibles au niveau du site de l Assekrem. Il s agit de, dehydrogène (H2) en ppb, le protoxyde d azote (N2O) en ppb et de l hexafluorure de soufre

(SF6) en ppt. Comptes tenus des lacunes de données pour les années 1995 et 1996, nous neconsidérerons que les années 1997 à 2004 pour ces trois gaz.


Tableau V.11. Statistiques descriptives de H2


Tableau V.12. Statistiques descriptives de N2O

de 131

N Minimum Maximum Moyenne Écart-type1997 12 3,85 4,10 3,9825 6,969E-021998 12 4,03 4,26 4,1825 7,509E-021999 11 4,26 4,44 4,3655 5,520E-022000 12 4,45 4,65 4,5600 5,657E-022001 12 4,76 4,95 4,8425 7,250E-022002 12 4,97 5,14 5,0633 5,532E-022003 12 5,20 5,38 5,2975 6,210E-022004 11 5,39 5,57 5,4900 6,164E-02

de 131

Tableau V.13. Statistiques descriptives de SF6

Fig. V. 16. Évolution des moyennes annuelles de H2

Fig. V. 17. Évolution des moyennes annuelles de N2

Fig. V. 18. Évolution des moyennes annuelles de SF6

de 131

Depuis l'ère industrielle, il y a un accroissement des concentrations des gaz à effet deserre :

• CO2 lié principalement aux combustions industrielles, domestiques et aux transports.• CH4 lié principalement aux pratiques agricoles : riziculture par exemple, élevage.• N2O lié principalement aux pratiques agricoles.• CFC (maintenant bannis), et leurs substituts HFC, PFC, SF6.

Bien que non traditionnellement inclus dans les NOx, le N2O ou protoxyde d'azote est uncomposé oxygéné de l'azote. Il participe au phénomène de l'accroissement de l'effet de serreavec le CO2, le CH4, etc. Le N2O est émis lors de la combustion des combustibles fossiles, parquelques procédés industriels, par les véhicules automobiles et par les sols (surtout ceuxcultivés avec des engrais azotés). Les océans et les sols naturels contribuentaussi aux émissions.

Le principal secteur émetteur de SF6 est l'industrie manufacturière.Les émissions de l'industrie manufacturière sont principalement engendrées par la productionde magnésium, le remplissage des disjoncteurs et interrupteurs haute tension et la fabricationdes semi-conducteurs.

L observation des courbes ci-dessus montre que les gaz présentent un profil plat sanspratiquement de fluctuations marquantes. Ceci démontre aussi que les constituants de l airavoisinant la station VAG de l Assekrem en absence de toute source anthropique sont stableset que toute évolution résulterait également de phénomènes de transports à grandes distances.

5.4. Conclusion :

L analyse des données de la station de mesure de la composition de l atmosphère deAssekrem permet de tirer quelques conclusions pour certains paramètres :

• La station n´est pas influencée par des sources ou des phénomèneslocaux. Elle constitue par conséquent une bonne station de surveillance et de mesurede la composition chimique de l atmosphère.

• A l échelle globale les teneurs en ozone tendent à augmenter depuis le début duvingtième siècle, mais cette tendance ne se poursuit pas à Tamanrasset.

• Le comportement de l ozone à l Assekrem est différent de celui observé en Europe. Lesconcentrations mesurées au niveau du site de l Assekrem montrent qu elles sontmaximales au printemps et minimales en automne.

• La tendance à la hausse graduelle annuellement du dioxyde de carbone d environ 2ppm/an, observée à travers d autres stations VAG telles que celles d Izana (Espagne)et Cape Point (Afrique du Sud), est également observée à l Assekrem.

de 131

CHAPITRE 6

REALISATION D’UN DETECTEUR DE CO2

6.1. Présentation de la réalisation

Entrant dans le cadre de notre projet de fin d études, nous proposons de réaliser lesdifférentes cartes électroniques d un système d acquisition de la concentration du CO2. Lesdonnées issues du capteur pourront être visualisées de deux manières au choix, à l aide d uninterrupteur à deux positions :

• Soit une visualisation sur un bargraph de 10 diodes électroluminescentes des donnéesdélivrées par un capteur de CO2

• Soit une visualisation des données issues du même capteur de CO2 sur l écran d unmicroordinateur compatible IBM à l aide d une carte PIA (Peripheral InterfaceAdapter) programmable

Le schéma synoptique ci-dessous montre les différentes composantes de la réalisation.Sa mise en ouvre sera corroborée par l élaboration et la réalisation des cartes électroniquescitées ci-dessous :

1. Carte du détecteur de CO2 articulé autour du capteur HS135

2. Carte convertisseur analogique numérique bâtie autour de circuit ADC0804

3. Carte d interface enfichable dans le PC bâtie autour du circuit INTEL 8255

Carte dudétecteur de

CO2

Carted’interfacePIA / PC

(à l intérieur deUnité centrale)

Programme

Fig.VI.1. Schéma synoptique de la réalisation

Carteconvertisseuranalogique -numérique

Interfaceélectronique

HS135

Schéma synoptique de la réalisation

Affichage surBargraphà 10 Leds

de 131

6.2. Concepts généraux sur les microcapteurs de gaz

Nous allons préciser ici les principales caractéristiques d'un système de perception bâtiselon le concept de nez électronique. Pour répondre à la fois aux exigences de coût, deminiaturisation et de portabilité, il paraît souhaitable de devoir retenir sensiblement le mêmeprincipe d'obtention de l'information pour chacune des grandeurs chimiques à identifier(cependant certains chercheurs américains ont bâti des systèmes utilisant plusieurs types decapteurs différents dans leurs principes de fonctionnement). En outre, ce principe doit éviterl'obligation de prélèvement d'un échantillon d'air et ne pas imposer, pour l'électroniqueassociée, des conditions d'environnement particulières de fonctionnement. Les performancesdes éléments sensibles auxquelles nous devrons nous attacher seront bien évidemment lasensibilité, la sélectivité et la stabilité.

6.2.1. Les grands principes

Trois grandes familles de microcapteurs permettent d'identifier et de quantifiercertaines espèces chimiques gazeuses, [55] :

• Une première famille est basée sur la réaction chimique du composé gazeux avec lasurface du capteur, dont il résulte une nouvelle espèce chimique. Soit cette espècechimique sera intégrée dans une chaîne ionique dont il résultera une variation depotentiel proportionnelle à la quantité de gaz ayant réagi, soit la réaction chimique seraexothermique ou endothermique et la mesure de la quantité de chaleur mise en jeu serasignificative de la quantité de gaz ayant réagi.

• Une seconde famille fait appel à l'adsorption physico-chimique sur la surface ducapteur et la modification d'une grandeur physique en résultant est alors aisémentmesurée. Le plus souvent cette grandeur sera la résistivité du matériau, mais aussi,parfois, tout simplement la variation de masse de l'élément sensible.

• Enfin une troisième famille est basée sur les propriétés thermiques du gaz à identifier.Pour cela un élément résistif semi-conducteur est chauffé : soit à températureconstante et la quantité d'énergie utilisée est significative de l'environnement ducapteur, donc de la conductibilité thermique du gaz en contact avec le capteur, soit àénergie constante et c'est alors la variation de température qui est significative.

Notons qu'il peut y avoir combinaison des grands principes ci-dessus. Il en résulte unetrès grande variabilité des éléments sensibles et des transducteurs utilisés dans lesmicrocapteurs chimiques. Nous n'allons toutefois devant la diversité des capteurscommercialisés examiner uniquement celui utilisé dans notre réalisation correspondant à latroisième famille.

6.2.2. Résistances à oxydes métalliques sur support céramique

Cette technologie, imaginée par Taguchi, est la plus répandue puisque commercialiséedès 1968 par la compagnie japonaise Figaro Inc. L'idée fondamentale de Taguchi a étéd'imaginer qu'une couche poreuse d'un oxyde semi-conducteur, déposée sur un substrat neutre(céramique), verrait ses propriétés conductrices affectées sensiblement en présence d'unefaible concentration de gaz, [53].

de 131

6.3. Les microcapteurs semi-conducteurs

6.3.1. Principe

Le schéma de principe d'un tel dispositif est illustré sur la figure ci-après.

Fig. VI.1. Exemple de réalisation de capteur céramique [15]

Il comporte sur un substrat de céramique un empilement de deux couches actives

• une couche métallique résistive destinée à jouer le rôle de système de chauffage et decontrôle de la température.

• une couche semi-conductrice poreuse, en oxyde d'étain éventuellement dopé,sensible aux gaz dont le principe de ces capteurs est basé sur le suivi des variations dela résistance électrique du dioxyde d'étain en fonction de l'atmosphère gazeuseenvironnante.

• un ensemble d'électrodes.

Le capteur comporte sur un substrat de 3mm, 4 éléments sensibles différents. Chaqueélément sensible correspond à une zone mince de la membrane de silicium de dimension500x500µm. La figure VI. 2 ci-dessous montre une coupe d'un élément montrant la couche dechauffage (en rouge), l'oxyde SiO2 (en rose), le substrat de silicium aminci dans sa partiecentrale (en noir). La couche sensible (verte) en surface fait entre 100 et 400nm d'épaisseur.

Fig. VI.2. Coupe d'un élément sensible [15]

Le schéma électrique équivalent d'un capteur est représenté sur la figure VI.3. Lecapteur nécessite deux sources d'alimentation distinctes VH pour le chauffage et VIN pour lamesure, l'information VOUT étant prélevée aux bornes d'une résistance montée en série avecl'élément sensible (externe dans certains types de capteurs mais intégrée dans le substratsilicium utilisé pour notre réalisation).

SiO2

de 131

Fig. VI.3. Schéma électrique équivalent du capteur HS135. [43]

6.3.2. Perspectives

Notons que l'oxyde d'étain a paru dans une première époque (années 80) le matériau leplus approprié, mais que depuis d'autres oxydes métalliques ont été envisagés. De nombreuxtravaux sont en cours pour optimiser le choix en fonction de l'application, de la sensibilité etde la durée de vie souhaitée pour le capteur. Ainsi par exemple, pour l'analyse des gaz issusdes pots d'échappement de voitures, on a constaté que l'oxyde d'étain convenait pour lesmoteurs à essence mais non pour le diesel qui produit une plus grande proportion d'oxydesd'azote, par contre l'oxyde de tungstène WO3 convient parfaitement pour les moteurs diesel,mais a une moindre sensibilité pour les moteurs à essence.

En 2004 les progrès des nanotechnologies sont tels que ce principe est aussi développésur un substrat de silicium. La différence fondamentale est l'extrême miniaturisationpuisqu'une équipe coréenne a actuellement réussie à intégrer sur un unique substrat dequelques cm de longueur un ensemble de 256 microcapteurs fondés sur ce principe.

Afin de minimiser la quantité d'énergie nécessaire pour chauffer une couche active,l'emplacement où celle-ci se trouve est alors très fortement aminci (à quelques 3 à 5 µmd'épaisseur) en exploitant les techniques de micro-usinage du silicium développées pour laréalisation de capteurs mécaniques. Dans ce cas, la couche céramique intermédiaire entre lefilm chauffant et la couche active sera le plus souvent à base de nitrure de silicium (Si3N4)pour des raisons de tenue mécanique, thermique et d'adhérence.

6.4. Spécifications techniques du capteur de pollution HS135

6.4.1. Caractéristiques

1. Stable sur une longue période2. Large échelle de détection

6.4.2. Applications

1. Usage personnel et industriel2. Détection de : fumée, SO2, CO2, isobutane, alcool, etc.

de 131

6.4.3. Propriétés

A- Conditions de fonctionnement normal

Symbole Paramètre Conditions techniques ObservationsVC Tension d alimentation 5V AC ou DCVH Tension de chauffage 5V AC ou DCRL Résistance de charge Ajustable VariableRH Résistance de chauffage 33 ± 5 % Temp. ambiantePH Consommation de chauffage < 800 mW

Tableau V.1. Conditions de fonctionnement normal du capteur HS135, [43]

B- Conditions d environnement

Symbole Paramètre Conditions techniques ObservationsTao Fonctionnement - 20 °C à 50 °CTas Stockage - 20 °C à 70 °CRH Humidité < 95 %

O2 Concentration21 %(Condition standard)

La concentration d oxygèneaffecte la sensibilité

Valeur minimale audessus de 2%

Tableau VI.2. Conditions d environnement du capteur HS135, [43]

C- Caractéristiques de la sensenbilité

Symbole Paramètre Paramètre technique Remarque 1 Remarque 2

RSR de l élément

sensible1 K - 10 K

(1000 ppm isobutane)

Valable pour3000 ppm GPL

et propane

Détectionstandard

Temp. : 20°C ± 2 °C VC : 5V ± 0.1

Humidité : 65 % ± 5 VH : 5V ± 0.1

Temps depréchauffage Plus de 24 heures

Détection de laconcentration :

Fumée : 1 - 10 %

CO2 : 0.3 20 %

Isobutane : 300 5000 ppm

Tableau VI.3. Caractéristiques de la sensibilité du capteur HS135, [43]

D- Caractéristiques mécaniques

Action Condition Propriété

Fréquence 100 Hz

Amplitude vibratoire verticaleVibration

Temps 1 heure

Doit être conforme auxcaractéristiques de la sensibilité

données

de 131

Accélération 100 G

Punch

5 fois le punch

Tableau VI.4. Caractéristiques mécaniques du capteur HS135, [43]

6.4.4. Courbes de sensibilité du capteur HS135

La figure VI.4 donné par le constructeur représente la relation existant entre latension de charge VRL aux bornes de RL et la concentration du gaz, pour les conditionssuivantes :

Température : 20 °C, Humidité : 65 %, O2 : concentration 21%, RL = 5 K

La figure VI.5 donné par le constructeur représente la relation entre le rapport RS/R0et la concentration du gaz pour les conditions suivantes :

Température : 20 °C, Humidité : 65 %, R0 pour 20 °C, RS pour une autre température.

6.4.5. Structure et symboles du capteur HS135

Nous présentons ci-dessous les figures permettant d identifier les différents éléments ducapteur HS135 et ainsi que le circuit de test et de mesure des paramètres électriques.

-20 -10 0 10 20 30 40 50 °C

1.81.6

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

RS/R0

5

4

3

2

1

0

VRL

0 2 4 6 8 10 12 14 16 x 103 ppm

i-C4H10

Alcool

Fumée

CO2

Fig. VI.4.. Courbes du capteur Fig. VI. 5. Variation de RS/R0

de 131

Fig. VI.6. Différents éléments du capteur HS135, , [43]

Fig. VI.7. Circuit électrique de test du capteurHS135, [43]

N° Parties Matériaux1 Couche sensitive SnO2

2 Électrode de mesure Au3 Électrode de chauffage Pt4 Radiateur Alliage Ni-Cr5 Corps de base tubulaire céramique Al2O3

6 Réseau anti-explosion 100 couches doubles en acier pur7 Anneau de serrage Placage de Nickel8 Siège de base bakélite9 Broches du tube Fils de cuivre

Tableau VI.5. Structure et symboles du capteur HS135, [43]

6.5. Réalisation du détecteur de CO2

6.5.1. Le schéma et principe de fonctionnement

Le schéma de notre montage et reproduit en figure VI.8. Il est articulé autour d uncapteur de pollution HS135 alimenté directement sous 5 V.

AC ou DC5V ± 0.1V

RL VSORTIE

f filament ou RS

de 131

Fig. VI.8. Schéma de principe du montage, [31]

Sous l effet de la chaleur développé par la résistance interne RS du capteur et en raisondu choix des matériaux employés pour fabriquer les électrodes du capteur, un courant s établitentre les points A et B lorsque le polluant est détecté. L analyse du courant permet alors dedéterminer la concentration des gaz auquel le capteur réagit.

Le courant issu du capteur circule dans la résistance R4 aux bornes de laquelle va sedévelopper une tension proportionnelle à la concentration du gaz analysé. Les courbes de lafigure VI.4 indiquent quelle est la sensibilité du capteur en fonction de la nature des gaz àanalyser. L axe des X est gradué par des unités 1000 ppm (1000 parties par million). Laréponse du capteur est indiqué ici pour une résistance R4 de 5 k , à la température ambiante(T=23 °C).

Pour permettre une détection plus sensible des gaz par notre montage, nous avonspréféré utiliser une résistance ajustable R4 de 10 k . Ceci nous permet de fixer la sensibilitédu capteur à notre convenance. Pour une valeur maximale de R4, la fin d échelle est fixée à9000 ppm, correspondant à un niveau de concentration du gaz déjà très élevée.

A titre d exemple deux niveaux caractéristiques du taux de CO2, sachant que dans l airil est de 0.036 % (360ppm) :

de 131

• 800 1200 ppm : confort• 1800 3500 ppm : mal de tête, bouche sèche, etc.

La tension qui apparaît aux bornes de R4 est ensuite légèrement amplifiée par le circuitU1 qui est un amplificateur « rail to rail », c'est-à-dire que sa tension de sortie peut varier entre0 V et Vcc (un amplificateur opérationnel classique présente une tension de déchet qui limite

excursion de la tension de sortie). Cet amplificateur n introduit aucun traitement sur lesignal à mesurer, ce qui permet d obtenir, en sortie, un signal qui suit exactement lesvariations de la courbe de réponse du capteur.

La visualisation des valeurs obtenues en sortie de l amplificateur se fait sur un bargraphà 10 diodes LED plates qui sont directement pilotées par un circuit LM3914 (U2). Ce circuit àétage comparateurs dispose de 10 sorties à variation linéaire, et il est utilisé ici en mode dot(une seule LED allumée à la fois, correspondant à une valeur de tension de sortie unique).

L alimentation du montage, est articulée autour du régulateur LM7805 (REG1). Cerégulateur est nécessaire pour le capteur et l amplificateur opérationnel. Le capteur présenteune résistance interne de seulement 33 . Cette résistance sert à maintenir les élémentsinternes du capteur à une température suffisante pour son bon fonctionnement. Cela signifieque le régulateur va devoir débiter 160 mA en permanence. L utilisation d un dissipateur estdonc indispensable.

6.5.2 Essais et tests du système à bargraph

Afin de déterminer les paramètres caractéristiques de ce type de capteur telles que lafiabilité et la stabilité, nous avons effectué des mesures des tensions de sortie du capteur dansdes conditions de température différentes

Les courbes des figures VI.9 et VI.10 montrent les variations de la tension de sortie ducapteur HS135 à une semaine d intervalle en fonctionnement continu, les premières mesuresont été effectuées après 24 heures de mise en service, temps préconisé par le constructeur.

Jour J (Température ambiante : 24 °C)

N° LED VCAPTEUR C (ppm) N° LED VCAPTEUR C (ppm)1 0.465 0 6 0.416 50002 0.456 1000 7 0.405 60003 0.449 2000 8 0.395 70004 0.438 3000 9 0.381 80005 0.428 4000 10 0.374 9000

Tableau VI.6. Tension du capteur en fonction de la concentration Jour J

de 131

Tension capteur / Concentration J

Concentration x 1000 ppp

tens

ion

en v

olts

0,350,360,370,380,390,400,410,420,430,440,450,460,470,480,490,50

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Fig. VI.9. Variation de la tension du capteur en fonction de la concentration Jour J

Jour J + 7 (Température ambiante : 27 °C)

N° LED VCAPTEUR C (ppm) N° LED VCAPTEUR C (ppm)1 0,486 0 6 0.438 50002 0,478 1000 7 0.428 60003 0,47 2000 8 0.417 70004 0,459 3000 9 0.406 80005 0,449 4000 10 0.396 9000

Tableau VI.7. Tension du capteur en fonction de la concentration Jour J+7

y = - 0.0103 x + 0.4772

de 131

Tension capteur / Concentration J+7

Concentration x 1000 ppm

Tens

ion

en v

olts

0,38

0,39

0,40

0,41

0,42

0,43

0,44

0,45

0,46

0,47

0,48

0,49

0,50

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Fig. VI.10. Variation de la tension du capteur en fonction de la concentration Jour J+7

La résistance de chauffe du capteur est alimentée sous 5 V stabilisé ainsi que lesélectrodes A1 et A2. Ceci est important pour la stabilité du détecteur. En présence de CO2 àproximité de la capsule du capteur, un courant prend naissance entre les électrodes A et lesélectrodes B. Le courant en question évolue en fonction de la concentration du gaz, commel'indique la figure VI.4 qui reproduit la courbe de réponse du capteur.

Le courant produit par le capteur traverse la résistance R4, ce qui développe à ses bornesune tension proportionnelle.

Les mesures effectuées à sept jours d intervalle montre des petites différences destensions au niveau du capteur dues en partie à l influence de la température. On remarqueratoutefois une certaine stabilité et que les écarts de tension entre chaque prise sontpratiquement de l ordre de 8 à 10 mV. Le tableau ci-dessous résume les statistiquesdescriptives des tensions en sortie du capteur pour les deux prises de mesures espacées de 07jours :

Minimum Maximum Moyenne Écart-typeJour J 0,374 0,465 0,42040 0.0313

Jour J+1 0,396 0,486 0,44270 0.0309

Tableau VI.8 Statistiques descriptives des 2 prises de mesure

de 131

6.5.3. Étalonnage du montage

information mesurée par ce montage dépend, bien évidemment de la position de P1ou de R4 qui sert à régler la sensibilité du montage. Deux cas sont envisagés :

Cas 1 :

Les concentrations mesurables dans ce cas pourront atteindre les valeurs de 9000 ppm.opération va consister à ajuster la résistance P1 pour fixer le zéro. Pour cela il suffit de

tourner la vis de réglage de P1 jusqu à ce soit le segment n°10 du bargraph qui reste allumé (lesegment le plus à gauche lorsque le montage est orienté avec l afficheur vers le bas). Lavaleur mesurée obtenue pour P1 est de 13.06 k . La résistance R4 est dans ce cas fixée à 10

.

Cas 2 :

On considérera dans ce cas une valeur moyenne de 360 ppm pour une atmosphère nonpolluée, qui par ailleurs est la valeur de référence pour beaucoup de détecteurs de CO2commercialisés. Devant la non disponibilité d un équipement permettant cette opération

étalonnage, nous avons adopté une stratégie de réglage du montage légèrement différente.Plutôt que de calibrer la mesure par rapport à la présence de gaz en proportion connue, nousallons au contraire effectuer le réglage de R4 dans une atmosphère supposée exempt depollution et supposée contenir une concentration de CO2 environ 360 ppm.

L opération va donc consister dans ce cas à ajuster R4 pour fixer le niveau de tension ensortie du capteur à une valeur correspondant à une concentration du gaz égale à 360 ppm.Cette valeur de tension correspond selon la courbe du constructeur à 0.270 Volts.

Nous considérerons la courbe linéaire entre 0 et2000ppm, auquel cas nous déterminons l'équation de ladroite pour les données suivantes :

0 ppm 0.258 V 1000 ppm 0.290 V 2000 ppm 0.322 V

L'équation régissant la courbe ainsi obtenue à partir de la courbe du constructeur dans laportion supposée linéaire est : Y = 0.032 X + 0.258 (Y= tension capteur; X=concentration)

6.5.4. Circuit imprimé et implantation

Le dessin du circuit imprimé de ce montage est visible en figure VI.11 tandis que la vueimplantation associée est reproduite en figure VI.12

de 131

Fig. VI.11. Circuit imprimé Fig. VI.12. Implantation des composants

Nomenclature

CON1C1C2DET1

DL1D1P1REG1R1, R4R2

R3R6, R7U1U2

connecteur alimentation470 F/25V sorties radiales100 F/25V sorties radialesdétecteur de pollution HS135bargraph avec 10diodes LED1N4001 (diode de redressement 1A/100V)ajustable multitours 50krégulateur LM7805 (5V) en boîtier TO220 + dissipateur thermique10 k ¼ W 5%100 k ¼ W 5%330 k ¼ W 5%3.3.k ¼ W 5%AD820 (ampli op rail to rail)LM3914

CON1

DET1

U1

U2

DL1

P1

REG1

R4 R2

R3R7

R6

R1

C1

C2 D1

de 131

6.6. Carte convertisseur analogique-numérique

6.6.1. Présentation

Le but de cette carte est de transformer une grandeur analogique comprise en unevaleur binaire directement exploitable par l ordinateur, [28].

La carte convertisseur utilisée dans notre réalisation se connecte à l ordinateur parintermédiaire de la carte PIA/PC, que nous détaillerons dans ce chapitre (S/chapitre 6.7), àaide d un câble nappe 20 conducteurs. Elle ne nécessite pas d alimentation.

6.6.2. Description

Cette carte est construite autour d un circuit intégré convertisseur analogique-numérique (CAN). Ce circuit intégré (ADC 0804) permet de convertir une tension d entrée de2.54 V en une valeur binaire codée décimale (BCD) de 254.

L augmentation ou la diminution d un point de la valeur BCD équivaut donc à unevariation de 10 mV de la tension d entrée.

Le temps minimal entre chaque prise de mesure par l ordinateur est fixé à 200microsecondes.

ALIMENTATIONVENANT DU PC

CARTE PIA / PC

OSCILLATEURCYCLES DE

CONVERSION

OSCILLATEURPRISE DEMESURE

CONVERTISSEUR

CIRCUITDE

PROTECTION

GENERATEURTENSION DEREFERENCE

BUS DE DONNEESPORT B

PORT AVALIDATION PRISE DE MESURE

ALIMENTATION

Fig. VI.13. Schéma fonctionnel de la carte CAN, [10]

ENTREESIGNAL

ANALOGIQUE

de 131

6.6.3. Schéma de principe et Fonctionnement

Le schéma de principe de la carte convertisseur est visible en figure VI.14.

Fig. VI.14. Schéma de principe de la carte CAN, [56]

Chaque front descendant de l entrée « WR » déclenche un cycle de conversion deADC 0804 qui dure environ 70 s (temps variable selon la valeur du signal d entrée).

A chaque fin de conversion, la pin 5 ( INTR) passe au niveau logique bas pendant 6 sindiquant que la nouvelle donnée présente sur le bus de données peut être prélevée.

Départ

200 s

RDPin 2

WRPin 3

INTRPin 5

De 60 à 80 s

Validation desDonnées du

convertisseur

Fig. VI.15. Diagramme des temps du CAN, [10]

2x708B472

PAO bis

de 131

L oscillateur prise de mesure, réalisé à partir d un circuit intégré 4060, permet deprélever des mesures à une fréquence fixe de 200 s, évitant ainsi de prélever des mesures àdes intervalles de temps différents.

Une tension de référence, fournie par une diode Zéner programmable (TIL431C) et unpont diviseur permet d ajouter la valeur BCD transmise à la carte PIA/PC à la valeuranalogique d entrée. La tension présente à la pin 9 de l ADC 0804 doit être la moitié de latension du signal d entrée crête.

Pour une tension d entrée maximale de 2.56 V (pas de 10 mV), la tension à la pin 9doit être de 1.28 V. Un circuit RC ainsi que deux diodes (N4148) permettent de protéger

étage d entrée du convertisseur et de filtrer le signal analogique à mesurer (protection +50V).

Un oscillateur constitué par une porte inverseuse, un condensateur et une résistance,permet d obtenir une fréquence d horloge d environ 1 Mhz nécessaire au fonctionnement de

ADC 0804).

6.6.4. Circuit imprimé et implantation

La figure VI.16 ci-dessous représente la carte convertisseur analogique numérique avecses composants.

Fig. VI.16. Implantation des composants

6.6.5. Étalonnage de la carte convertisseur

Deux réglages simples suffisent pour étalonner la carte convertisseur :

ü À l aide d un fréquencemètre ou d un oscilloscope, régler l ajustable de 10 k jusqu àobtenir une fréquence de 5 KHz sur la pin 3 du circuit intégré 4060.

ADC 0804

Entrée du signal issudu détecteur de CO2

de 131

ü Injecter une tension continue stable de 2.54 V sur l entrée du convertisseur, lancer leprogramme MESVOL (Voir Annexe) et régler le multitour jusqu à obtention de lavaleur sur l écran de l ordinateur.

6.6.6. Caractéristiques de la carte

• Alimentation autonome par le + 5 V de l ordinateur, consommation < 10 mA• Fréquence d échantillonnage : 5 KHz (5000 mesures/seconde)• Convertisseur 8 bits (256 points max.)• Plage du signal d entrée de 0 V à 2.54 V par pas de 10 mV• Protection du signal d entrée jusqu à + 50 V• Impédance d entrée : 500 k• Erreur de non linéarité et zéro : + LSB (+ 10 mV)

6.6.7. Nomenclature

Résistances : Semi-conducteurs :

- 1 x 100 - 1 x ADC 0804- 1 x 820 - 1 x 4060- 3 x 1 k - 1 x 40106- 1 x 2.2 k - 1 x TL 431 C- 3 x 10 k - 2 x 1N 4148- 2 x 708B472

Condensateurs : Divers :

- 1 x 150 pF - 1 ajustable multitour 220 - 1 x 220 pF - 1 ajustable horizontal 10 k- 1 x 1 nF MKT - 1 connecteur coudé 2x10 broches- 1 x 10 nf céramique -- 1 x 22 nF céramique- 1 x 0.1 F- 2 x 10 F/25 V radial- 1 x 100 F radial

de 131

6.7. Carte interface PIA/PC

6.7.1. Technologie

interface est constituée autour d un circuit intégré INTEL 8255 associé à un circuit dedécodage d adresses. 3 ports de 8 données chacun (1 octet) sont disponibles, un des portsétant fixé en sortie (Port A) et amplifié à travers un circuit buffer inverseur.

L interface peut être configurée en 16 entrées/8 sorties, 8 entrées/16 sorties ou 12entrées/12 sorties, le port C pouvant être divisé en 2 (4 entrées/4 sorties).

6.7.2. Périphériques

L interface PIA/PC peut être reliée, grâce à de câbles nappes 10 et 20 conducteurs àdivers périphériques, programmateur d eprom, affichage de texte, carte convertisseuranalogique-numérique, etc.. Le schéma fonctionnel de la carte d interface reliée à la carteconvertisseur est représenté en figure VI.17.

6.7.3. Connexion

L interface PIA/PC est entièrement compatible avec tous les ordinateurs PC : AT ouXT. Elle est à enficher dans un des connecteurs libres (8bits), du slot d extension du PC.

6.7.4. Décodage d’adresses

Le 8225 ne peut recevoir ou envoyer des données au PC que lorsque son entrée CS(Chip Select) est activée : niveau logique bas 0. Le circuit de décodage d adresses (74 LS 04et 74 LS 133) ne permet d obtenir ce niveau que pour certaines adresses bien précises.

Bufferinverseur

Décodaged’adresses

Alimentation

Bus d’adresses

Bus de données

Bus de contrôle

CS

PIA 8255

Port A

Port B

Port C

Fig. VI.7 Schéma fonctionnel de l interface PIA/PC

Connecteur 20 broches

Connecteur 10 broches

de 131

Sur le PC, une zone mémoire est réservée pour les cartes connectables : elle se situeentre les adresses 300&H et 31F&H, [24].

Pour commander par exemple le PIA 8255, seules 4 adresses sont nécessaires. Des strapspermettent de sélectionner 4 jeux d adresses différentes. On peut donc commander jusqu à 4cartes interfaces différentes, chacune configurée sur un jeu d adresses différent des autres.

Par exemple, pour des straps en A et C on a :

Adresse Port A &H310Adresse Port B &H311Adresse Port C &H312

Adresse registre de contrôle &H313

6.7.5. Programmation du PIA

Pour la configuration du 8255, on doit accéder au registre de contrôle (défini àadresse &H313 : strap en A et C, &H317 : strap en B et C, &H31B : strap en A et D ou

&H31F : strap en B et D), puis charger les bits de ce registre avec la valeur voulue.

Chargement du registre de contrôle

Les bits du registre de contrôle définis à l adresse &H313, &H317, &H31B ou&H31F, permettent d actionner le PIA (bit 7), de sélectionner le mode (bit 5 et 6) et deconfigurer les 3 ports en entrée ou sortie (bits 0, 1, 2,3 et 4).

Le PIA 8255 autorise 3 modes de fonctionnement, [39] :

• Mode 0 : les ports A et B et les 2 parties (inférieure et supérieure) du port C peuventêtre programmés en ENTREES ou en SORTIES

• Mode 1 : chacun des ports A et B est servi par un demi-port C chargé de fournir lessignaux d acquittement

• Mode 2 : le port A est intégralement bidirectionnel

Nous avons utilisé pour notre réalisation le mode 0 en priorité pour plus de simplicitédans la programmation d une part et convient parfaitement à nos besoins d autre part.

de 131

Bits de registre de contrôle

Programmation du PIA 8255 en mode 0 (Aperçu)

Direction des donnéesE = Entrée S = Sortie

Valeur du registre decontrôle

A B C4-C7 C0-C3 HEXA DECIMALS S S S 80 128

S S S S 81 129

S S E S 88 136

S S E E 89 137

E S S S 90 144

E S S E 91 145

E S E S 88 152

S E S S 82 130

6.7.6. Exemple de programmation

Cet exemple de programme permet de configurer les ports A et C en sortie et le port Ben entrée. Après configuration des ports, le programme envoie la valeur 255 sur le port A etlit la valeur disponible sur le port B. le résultat de cette lecture est disponible dans la variableV (straps de décodage d adresse en A et C).

D7 D5 D2 D1 D0

Positionnementde l indicateurde MODE :1 = ACTIF

Sélection duMODE :00 = MODE 001 = MODE 11X = MODE 2

Port C (Inf.)1 = Entrée0 = Sortie

Port B11 = Entrée0 = Sortie

MODE 00 = Mode 01 = Mode 1

Port A1 = Entrée0 = Sortie

D6 D4 D3

Port C (Sup)1 = Entrée0 = Sortie

de 131

Programme

# include <dos.h>

# define RegControle 0x313#define Port A 0x310#define Port B 0x311

void main ( )

{

unsigned char V ;outportb(RegControle,0x82) ;outportb (Port A, 255);V=inportb(PortB);

}

Explication

Entrées/sorties

Adresse du registre de contrôle du PIAPort A du PIAPort B du PIA

Variable de lecture du Port B du PIALe Reg. De contrôle du PIA reçoit 82hLe port A du PIA reçoit la valeur 255V reçoit la valeur lue sur le Port B

6.7.7. Schéma de principe

Fig. VI.18. Schéma de principe du PIA, [58]

de 131

6.7.8. Vue de la carte PIA/PC

6.7.9. Logiciels d’acquisition

Les langages utilisés pour permettre l acquisition de la concentration du CO2 surécran d un microordinateur sont :

§ Le basic par le biais du programme MESVOL.BAS pour l étalonnage de la carteconvertisseur

§ Étant donné la rapidité de conversion du circuit, il est nécessaire de faire appel à desroutines assembleurs, plus rapides qu un programme écrit entièrement en basic, afin

obtenir des prises de mesure correctes. Le programme en langage AssembleurCAN1.BIN est une routine qui permet de restituer la valeur BCD du convertisseur auprogramme écrit en GWBASIC.

§ Le langage C++, par le biais du programme PPM.CPP, permet d une part par sasouplesse d utilisation en programmation structurée et ses fonctionnalités de basniveau, et d autre par sa puissance graphique, une présentation graphique plus adaptéeà ce type de processus de mesure en temps réel.

Les programmes élaborés pour l étalonnage de la carte CAN et l acquisition desdonnées sont donnés en annexe. Les instructions nécessaires à leurs élaborations ont étéinspirées d'exemples figurant dans la référence [7].

6.7.10. Vues extérieure et intérieure du disposition de détection de CO2

La réalisation a été montée dans un boîtier plastique contenant la carte électronique ducapteur HS135 et la carte CAN. Le capteur HS135 et le bargraph sont disposés de manière àpermettre pour le premier une meilleure détection du polluant et pour le deuxième unevisualisation aisée. Un interrupteur double position permet de choisir soit l affichage surbargraph (position haute), soit l affichage sur écran d un microordinateur (position basse).

L ensemble est alimenté en 12V = / 2.08 A, pouvant permettre une consommationmaximale de 25 W largement suffisante pour notre dispositif.

PIA 8255

de 131

Vue d ensemble du détecteur de pollution avec la carte PIA/PC sur le boîtier

Vue intérieure du détecteur de pollution avec la carte CAN en bas à gauche

de 131

CONCLUSION

La pollution atmosphérique qui caractérise nos villes intéresse de plus en plus lesscientifiques mais aussi les acteurs politiques et administratifs ainsi que la population. Lesproportions de citadins soumis à ce type de nuisances ne font que croître, de telle sorte qu uneprise de conscience est sensible à travers les directives et actions de plus en plus fréquentesmais certes insuffisantes. En effet si l on considère le réseau algérien de surveillance dequalité de l air « Samasafia », on constate qu il ne concerne que quelques grandes villes(Oran, Alger, Annaba et Skikda). Toutefois le projet de loi sur l air prévoit l équipement desvilles de plus de 500.000 habitants un réseau de surveillance de la qualité de l air.

L insuffisance de stations de mesure pourrait conduire à priori à l utilisation d unmodèle numérique de détermination de la dispersion des polluants. Une attention particulièredoit être apportée à cette éventuelle approche. Si actuellement les modèles de répartition despolluants atmosphériques ont été bien développés selon des échelles macroscopiques, celle dela ville l est beaucoup moins. Les formes urbaines ont un impact certain sur la répartition despolluants, que se soit au niveau de la rue, du site de mesure ou de l ensemble de la ville. Celasuppose un cadastre stable et ce n est pas le cas pour une ville comme Oran où on assiste àdes changements incessants au niveau de l urbanisme.

L Algérie participe au programme de surveillance de la composition chimique deatmosphère à l échelle planétaire. Ayant démontré que la station de l Assekrem désignée à

cet effet n´est pas influencée par des sources ou des phénomènes, elle constitue parconséquent une bonne station de surveillance de la composition chimique de l atmosphère.Cependant à travers nos constations et nos analyses, durant notre séjour d une semaine, nouspermettent de mettre en évidence :

- une énergie électrique insuffisante occasionnant des coupures de courant et parconséquent des pertes de données.

- un matériel obsolète, en particulier le spectrophotomètre de Tamanrasset, rendant lamesure de l ozone total difficile pour les observateurs.

- Un équipement ancien et un manque de pièces de rechange au niveau de l Assekremrendant les tâches de maintenance compliquées.

A partir des différents résultats obtenus avec notre détecteur de CO2 et en tenantcompte de l état d avancement en matière de développement des capteurs de gaz, un capteurde meilleures caractéristiques associé à une électronique plus adaptée aboutirait à unprototype permettant des mesures de l ordre du ppm, auquel cas il serait utilisé pour lasurveillance de l évolution du CO2.La mise en uvre d un logiciel d acquisition plus développé en y intégrant des fonctions detraitement (calculs statistiques, tracé de courbes, etc.) conduirait à un dispositif de meilleuresperformances.

de 131

ANNEXE : PROGRAMMES

1. Programme MESVOL.BAS

Ce programme permet de calibrer la carte convertisseur dont la procédure est expliquéeau chapitre VI, paragraphe 6.6.5. Il affiche sur l écran la mesure de la tension à l entrée de lacarte convertisseur. Tension continue comprise entre 0 et 2.54 V. Il utilise pour prélever celle-ci la routine assembleur CAN.BIN. En cas de dépassement de mesure supérieure à 2.54 V, leprogramme affiche « Dépasse ». Le retour au basic se fait en appuyant sur la touche F1.

10 '------ Programme MESVOL.BAS20 CLS : KEY OFF30 ON KEY(1) GOSUB 15040 KEY(1) ON50 LOCATE 25,20:COLOR 16,7:PRINT" Retour au BASIC appuyer sur touche F1. ";60 COLOR 7,070 OUT &H313, &H9B:V%=080 DIM TABU(30)90 DEC=VARPTR(TABU(0))100 BLOAD"CAN1.BIN",DEC110 ADC=VARPTR(TABU(0))120 CALL ADC(V%)130 IF V%=255 THEN 160140 LOCATE 12,35:PRINT USONG"#.##";V%/100;:PRINT" Volts.":GOTO 120150 CLS:END160 LOCATE 12,35:PRINT"Depasse ":GOTO 120

2. Programme CAN.BIN

Cette routine permet de récupérer et de transmettre au programme Basic la donnéeprésente sur le bus 8 bits du convertisseur et ne s effectue que pour un front montant du bit devalidation prise de mesure.

PUSH BP MOV BP, SP PUSH SI MOV DX, 310 hINTR0 IN AL, DX AND, 1

JNZ INTR0INTR1 IN AL, DX AND AL, 1 JZ INTR1 MOV DX, 311 h IN AL, DX

MOV SI, (BP+6) MOV (SI), AL POP SI POP BP RETF 2

de 131

3. Programme MESPPM.CPP

Cet exemple de programme permet de configurer les Port A et C du PIA en sortie, et lePort B en entrée. Après configuration des Ports, le programme envoie la valeur 255 sur lePort A et lit la valeur disponible sur le Port B, le résultat de cette lecture est disponible dans lavariable V.

# include <time.h># include <graphics.h># include <stdio.h># include <string.h># include <stdlib.h># include <conio.h># include <stdarg.h># include <ctype.h># include <dos.h># include <bios.h># include"gprint.h"#include <DOS.H>/* Entrées/Sorties. */#define RegControle 0x313 /* Adresse du registre de controle du PIA. */#define PortA 0x310 /* ---------- Port A du PIA. */#define PortB 0x311 /* ---------- Port B du PIA. */typedef unsigned int word;typedef unsigned char byte;typedef byte boolean;typedef struct { int x; int y; } point;typedef struct { point p1; point p2; } rect;typedef struct { word sMask[16]; word cMask[16]; point hotSpot; } cursor;typedef unsigned char BYTE; /* Nous nous bricolons un octet */typedef struct velb far * VP; /* VP = Pointeur FAR sur la RAM vid o */typedef BYTE BOOL; /* Comme BOOLEAN en Pascal */FILE *fp;struct velb { /* Décrit une position de l'écran en 2 octets */ BYTE caractere, /* Le code ASCII */ attribut; /* L'attribut correspondant */ };struct date d;struct time t;#if !defined(MAIN) /* on évite ainsi une redéfinition des variables globales */extern boolean mouse_ok;extern int mouse_vis;extern cursor *arrow,*cross,*text,*hand,*hourglass;extern char gr_error;extern point CurMouse;extern int MaxX,MaxY; /* maxima du systeme graphique */extern int x1bureau,y1bureau,x2bureau,y2bureau; /* dimensions bureau */extern int x1panneau,y1panneau,x2panneau,y2panneau; /* dimensions panneau */#endif BOOL nokey(){#ifdef __TURBOC__ /* Travail sous TURBO-C ? */ return( bioskey( 1 ) == 0 ); /* OUI, tester le clavier travers le BIOS */#else /* On travaille avec Microsoft C */ return( _bios_keybrd( _KEYBRD_READY ) == 0 ); /* Test travers le BIOS */#endif}unsigned char V,W,B;byte b0,b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7;

de 131

byte c0,c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7;byte a0,a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7;byte porta,portb,portc;int PPM ;float resolution,tens,TENS;char str[25];double num;int sig=3; void Init_graph(void){ int gr_pilote = DETECT, /* détection automatique */ gr_mode, gr_erreur; initgraph(&gr_pilote, &gr_mode,"c:\\tcp3\\bgi"); if ( (gr_erreur = graphresult())<0) { printf("erreur graphique %d\n",gr_erreur); exit(1); }}void main() { Init_graph(); unsigned char V; /* Variable de Lecture du Port B du PIA. */ outportb(RegControle,0x82); /* Le Reg. de Controle du PIA re oit 82h. */ outp(PortA,255); /* Le Port A du PIA re oit la valeur 255. */ V=inportb(PortB);/* V re oit la valeur lue sur le Port B. */ /********************************************************/ do { cleardevice(); V=inportb(PortB); gettime(&t); gotoxy(10,5); printf("Heure %2d:%2d:%2d\n",t.ti_hour, t.ti_min, t.ti_sec); getdate(&d); gotoxy(60,5);printf("Date %2d:%2d:%4d\n",d.da_day,d.da_mon,d.da_year); portb=inportb(PortB); b0=portb & 1;if(b0)b0=1;b1=portb & 2;if(b1)b1=1; b2=portb & 4;if(b2)b2=1;b3=portb & 8;if(b3)b3=1; b4=portb & 16;if(b4)b4=1;b5=portb & 32;if(b5)b5=1;b6=portb & 64;if(b6)b6=1;b7=portb & 128;if(b7)b7=1; B=b0*1 + b1*2 + b2*4 + b3*8 + b4*16 + b5*32 + b6*64 +b7*128; resolution = 2.56 / 256.00;/*-----------------------------------------------------------------*/ TENS= ( B * resolution ) ;/* TENS = (0.032 * PPM) + 0.258 ; */ /* Valeur de la tension du capteur selon la concentration */PPM = ((TENS 0.258) / 0.032) * 1000 ; /* Valeur de la concentration en fonction de la tension du capteur *//*------------------------------------------------------------------*/ x=180;y=260; setfillstyle(EMPTY_FILL,0);setusercharsize(2,1,2,1); bar(70,250,560,350); setcolor(14); rectangle(60,240,570,360); setusercharsize(3, 1, 1, 1); settextstyle(TRIPLEX_FONT,HORIZ_DIR,7); gprintf(&x,&y,"%4d",PPM); settextstyle(TRIPLEX_FONT,HORIZ_DIR,6); x=400;y=260;gprintf(&x,&y,"ppm"); textcolor(YELLOW); settextstyle(TRIPLEX_FONT,HORIZ_DIR,7); delay(1000); } while(nokey()); getch();}/********************************************************************/

de 131

BIBLIOGRAPHIE

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

AHLVIK P. et al., 1997, Programme to calculate Emissions from road transport-Methodology and Emissions Factors,EEA

AVILA GALARZA A., 1996, Thèse : Diffusion de polluants atmosphériques dans unezone à topographie complexe, Université Paris XII

BARNEA M. & URSU P., 1974, Pollution et protection de l'atmosphèreEd. Eyrolles, Paris

BOUDRANT J. & al. 1994, Capteurs et mesures en biotechnologie, Technique etDocumentation, Paris

BORISENKOV, E.P., 1978, Les aspects météorologiques de la pollution de l'air.Colloque international de Leningrad, 10-19 Mars 1977Bulletin OMM, p27, d2

BOUDEL R. W. et al. 1994, Fundamentals of air pollution-Third edition, Academic Press

BUCKINGHAM C. 1997, London Atmospheric Emissions Inventory, LondonResearch Center, Life programme British Library

BYRON S., 1993, Programmation en C (Cours et problèmes)Ed Schaum

CASPAR, R., 1987, Météorologie et pollution.MetMar, d135

CHOVIN P. & ROUSSEL A., 1973, Physicochimie et pathologie des polluantsatmosphériquesEd. Masson, Paris

DALET J., OMNES G., 1984, Principes de l acquisition et conversion des donnéesMétéo France, ENM, Toulouse

DANIEL V. & DELAYGUE G., 2000, La dispersion atmosphérique des polluantsLaboratoire de Météorologie Dynamique de l'ENS de Paris, Laboratoire des Sciencesdu Climat et de l'Environnment de Saclay

DEGOBERT P., 1992, Automobile et pollution,Ed Technip

De MOOR G., 1983, Les théories de la couche limite atmosphériqueMétéo France, Cours et manuels n°3

de 131

[15]

[16

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

ELECTROME LOGICIELS, 1998, Pc et interfacesElectrome S.A, Bordeaux, France

ESCOURROU G, 1991, Le climat et la ville,Ed . NATHAN, 190 p

FIGARO Inc., revised 11/2004, General information for TGS sensors Japan

F. PASQUILL, 1968, Atmospheric diffusionD. Van Nostrand Compagny Ltd, London

FESTY -B., 1997, La pollution atmosphérique urbaine : sources, polluants et évolutionEnergie Santé; vol. 8

FORSDYKE, A.G., 1970, Meteorological factors in air pollutionWMO, 274 TP 153, Tech.Note, 114

GIRARD E, 1998, Étude de l'impact des aérosols acides sur le climat en Arctique.Ph.D. Université McGill, 1998.

GAUTHIER O., FORAY J.P., 1993, Comment lutter efficacement contre la pollutionatmosphérique transfrontière ?Pollution Atmosphérique, p35, N°Special

HENGEVELD, H., 1995, Comprendre l'atmosphère en évolution. Revue de la sciencede base et des implications d'un changement du climat et d'un appauvrissement de lacouche d'ozone.Ontario, Sc Envir.Atmos.

HOLZWORTH, G.C., 1974, Climatological aspects of the composition and pollutionof the atmosphereWMO, 393 Tech.Note, 139

LE COZ C. & al, 1997, Mesures et environnement,Presses des Ponts et Chaussées, Paris

LEIBSON S., 1984, Manuel des interfacesMc Graw Hill

LILEN H., 1986, Techniques, normes, applications des interfaces pourmicroordinateurEd. Radio

LYONS T.J. & SCOTT W.D., 1990, Principles of air pollution meteorologyA London Belhaven Press

Mc CORMICK R.A., 1960, Wind and turbulence instrumentation for air pollutionsurveysBAMS p41, d4, app.175-179

de 131

[30]

[31]

[32]

[33]

[34]

[35]

[36]

[37]

[38]

[39]

[40]

[41]

[42]

[43]

[44]

Mc CORMICK R.A., 1969, Météorologie et pollution de l'air dans les zones urbainesBulletin OMM, p18, d3, app.172-184

MESSIER P., 1991, Conversion analogique numériqueMétéo France, ENM, Toulouse

MESZAROS E., 1978, Mesure de la pollution de fond de l'atmosphèreA Budapest Inst.Phys.Atmosphere

MESZAROS E. & WHELPDALE D.M., 1986, Programme de recherche et desurveillance concernant la pollution de l'environnement -Manuel pour les opérateursdes stations du réseau BAPMoNDocument technique, OMM/DT No. 66, Genève

MORIN P., 2001, Détecteur de pollutionÉlectronique pratique N°275, p. 24-26

MOUVIER G., 1994, La pollution atmosphérique,Edition Flammarion

MUNN R.E & RODHE, 1987, Précis de météorologie volume II, partie 6:- Chimieatmosphérique et météorologie de la pollution de l'air.OMM, Genève

MUNN R.E., 1966, Descriptive micrometeorologyA New York Academic Press, Advances in geophysics

OMM, 1971, Aspects météorologiques de la pollution de l'airBulletin OMM, p20, d3, app.188-189

OMM, 1978, Physique de la couche limite et pollution de l'air. Colloque deNorrköping, Suède, 19-23 Juin 1978Bulletin OMM, p27, d4, app.296-297

OMM, 1971, Aspects météorologiques de la pollution de l airBulletin OMM, Vol XX N°3, p. 188-189

OMM, 1978, La météorologie et l environnement(page 120)Bulletin OMM, Vol XXVII N°2, p. 119-122

OMNES G., 1986, Interfaces 8 bits 8251 8255 8259Météo France, ENM, Toulouse

ONM, 1997, Notice technique du programme de la VAGTamanrasset/Assekrem

POGGI A., 1977, Introduction à la micrométéorologie. Transferts d'énergieatmosphère - solEd. Masson, Paris

de 131

[45]

[46]

[47]

[48]

[49]

[50]

[51]

[52]

[53]

[54]

[55]

[56]

[57]

PUESCHEL R.F., 1986, Man and the composition of the atmosphere.The backgroundair pollution monitoring network (BAPMoN)Geneva, WMO

RODHE, H., ELIASSEN, A., ISAKSEN, I., 1982, Tropospheric chemistry and airpollutionWMO, Techn. Note, 583

SCHUTZ M., 1995, Environnement et pollution,Publitronic, Nieppe

SENCERA Co. Ltd.,2004,HS-135 Air pollution sensor specificationData Sheet ,Taiwan

SZEPESI, D.J., 1987, Applications of meteorology to atmospheric pollution problemsWMO, 672, Tech.Note, 188

VAETH, G., 1969, Pollution de l'air et météorologieBulletin OMM, p18, d4, app.259-261

VERNIER.J, 1992, L environnement,Collection Que sais je? PUF Paris

VIALLET P., 1975, La pollution de l'air. Effets -Moyens de lutte- Prévention -Mesureet détectionEd. Guy Le Prat, Paris

VILETTE S., 1994, Les modèles numériques de dispersion de la pollutionatmosphérique à l échelle de l agglomération, ENGREF

WIERSMA G.B.,1987, Procedures and methods for integrated global backgroundmonitoring of environmental pollutionWMO, Geneva

WMO, 1970, Meteorological aspects of air pollutionWMO, 251 TP 139, Tech.Note, 106

WMO, 1978, Proceedings of the symposium on the development of multi-mediamonitoring of environmental pollution; Riga, 12-15 December 1978WMO, Geneva

WMO, 1979, Report of the meeting of experts on stratospheric circulation analysis andozone (Washington,9-13.07.1979)WMO, Geneva

de 131

republique algerienne democratique et populaire … · a tout le corps professoral du magister des...

Documents