Méthodes de surveillance des particules ultrafines

Il existe un certain nombre de façons de mesurer les particules fines et ultrafines, mais est-il vraiment important d'utiliser une technique de mesure basée sur la masse ou sur le nombre ? Nous examinons quelques exemples qui illustrent la nuance entre une méthode et une autre.

Parmi les méthodes courantes de mesure des particules (c'est-à-dire de la masse) de 2,5 microns ou moins (PM2,5), on peut citer celles basées sur la gravimétrie, la diffusion de la lumière ou les techniques d'atténuation bêta ; les instruments à microbalance oscillante à élément conique (TEOM) sont également courants. Toutefois, ces méthodes ne tiennent pas compte des particules ultrafines (PUF) de 0,1 micron ou moins (PM0.1).

Différences entre les mesures de l'air ambiant basées sur la masse et sur les nombres

Dans les mesures basées sur la masse, chaque nanogramme de particules compte de la même manière que le nanogramme suivant, quelle que soit la taille des particules dont il provient.

Dans les mesures basées sur les nombres, chaque particule compte de la même manière que la suivante, quelle que soit sa taille, qu'elle soit massive ou (ultra)fine.

Dans la figure 1, nous avons une distribution hypothétique de taille de masse normalisée centrée sur 190 nm.

Si nous supposons que toutes les particules de la distribution bleue (basée sur la masse) de la figure 1 sont sphériques et ont une densité de 1,0 g/cc (souvent appelée "densité unitaire"), nous pouvons établir une distribution basée sur le nombre. Cette distribution basée sur les nombres est représentée par les lignes pointillées rouges. La médiane de cette distribution basée sur les nombres est de 100 nm, tandis que la perspective de masse produit une médiane de 190 nm. Rappelons que ces deux courbes décrivent exactement la même population de particules, mais de deux points de vue différents.

Étant donné que la statistique de la médiane diffère entre les deux distributions de la figure 1, approfondissons un peu la question. Dans la figure 2, nous pouvons voir que 92% des particules contribuent à hauteur de 50 % de la masse totale. D'une autre manière, 50 % de la masse est obtenue par seulement 8 % des particules les plus grosses.

Ce phénomène - la masse totale est dominée par la contribution d’un petit pourcentage de particules - se produit régulièrement dans les mesures de l'air ambiant. C'est la raison principale pour laquelle les mesures basées sur les nombres ont de la valeur... bien que les particules ultrafines soient techniquement incluses dans les mesures de PM2.5, elles sont pratiquement invisibles. Examinons ce phénomène à l'aide de mesures réelles de l'air ambiant.

Mesures réelles de l'air ambiant

La figure 3 montre un autre exemple où cet effet peut être observé directement en examinant une distribution de taille de particules qui a été recueillie à partir de mesures de l'air ambiant au siège de TSI. La ligne pointillée rouge montre un nombre relativement faible d'aérosols avec une large distribution de taille centrée sur 100 nm. La concentration massique calculée était de 12,3 µg/m³ avec une concentration numérique d'environ 4 500 particules/cm³.

Quinze minutes plus tard, un autre balayage a été effectué (en bleu). La ligne bleue indique un pic de particules autour de 20-40 nm ; en raison de la présence de ce pic, la concentration totale en nombre est multipliée par cinq. Cependant, la concentration massique calculée des particules reste inchangée. Le tableau 1 présente une comparaison des valeurs basées sur le nombre et sur la masse pour ces deux scénarios.

Deux échantillons ambiants réels :

Échantillon	PM0.7 (µm/m3)	Conc. en nombre(#/cm3)
ligne rouge en pointillés	12.3	4.47 x 103
ligne bleue	12.3	2.21 x 104

Cet exemple montre qu'en utilisant uniquement des systèmes de mesure des particules basés sur la masse, une quantité importante d’information est négligée ! Du point de vue de la masse, ces deux mesures seraient considérées comme identiques, même si la seconde mesure contient 5 fois plus de particules.

En outre, les particules manquantes - en particulier les plus petites - peuvent représenter un risque non négligeable pour la santé.

Mesures basées sur le nombre ou sur la masse : une distinction triviale ou une porte d'entrée vers de nouvelles connaissances ?

Les données pondérées par le nombre permettent de mieux comprendre l'histoire des particules ultrafines dans l'atmosphère. Alors, si nous voulons mesurer les PUF dans l'atmosphère, que devons-nous faire du point de vue de l'instrumentation ?

Nous ne devrions certainement pas utiliser une méthode de mesure basée uniquement sur la masse, ni une technique qui privilégie de manière significative les particules les plus grosses. Les techniques basées sur l'extinction et la diffusion de la lumière sont toutes deux fortement biaisées dans ce sens, de sorte que les PUF seront pratiquement invisibles pour ces instruments.

Une technique de mesure basée sur le nombre révèle la présence des PUF, simplement en comptant les particules. La mesure de la concentration en nombre permet d'élucider des informations inconnues des systèmes de mesure basés sur la masse.
En outre, la capacité de mesurer la concentration en nombre de particules et la distribution de la taille des particules dans l'atmosphère fournit des informations supplémentaires qui aident à compléter l'histoire tant du point de vue de l'exposition que du point de vue de la science de l'atmosphère.