Les efforts mondiaux visant à atténuer les changements climatiques se sont largement concentrés sur la réduction des émissions de dioxyde de carbone (CO2), responsable de 55 à 60% du forçage radiatif anthropique actuel sur l’impact du réchauffement. En raison de sa longue durée de vie dans l’atmosphère (~ 130 ans [Sonnemann 2013]), le CO2 de longue durée restera le principal facteur d’augmentation de la température à long terme, même si les nouvelles émissions de CO2 sont tombées à zéro. Il est donc indispensable de mettre en place des stratégies d’atténuation des changements climatiques «rapides» pour obtenir des avantages plus importants à court terme que les réductions de CO2 en réduisant les émissions de polluants climatiques à courte durée de vie (SLCP) ayant une durée de vie dans l’atmosphère inférieure à 20 ans [Zaelke 2013]. entraînerait des baisses à court terme des concentrations atmosphériques et donc un ralentissement du changement climatique au cours des prochaines décennies.
Le carbone noir (BC), l’un des plus importants SLCP, dont la durée de vie dans l’atmosphère est d’environ une semaine, réchauffe l’atmosphère en absorbant la lumière solaire. La Colombie-Britannique est considérée comme le troisième agent de forçage climatique dans l’atmosphère après le CO2 et le CH4 [GIEC 2013]. Les incertitudes associées au forçage radiatif du carbone sont, pour le moment, supérieures à 70% et sont principalement liées aux techniques de mesure réelles qui fournissent des informations limitées permettant de distinguer le BC des autres aérosols et à ses propriétés optiques [Bond 2013]. La Colombie-Britannique a également été identifiée comme le polluant atmosphérique le plus nocif en termes d’impact sur la santé humaine [OMS 2013].
Malgré les efforts intenses déployés au cours des dernières décennies, il n’existait aucune méthode de mesure standard largement acceptée pour la détermination de la CB. Les méthodes les plus largement utilisées sont l’aéthalométrie en ligne sur filtre et l’analyse optique thermique hors ligne. Cependant, tous les photomètres à filtre souffrent de non linéarité en raison de la charge du filtre, ce qui peut conduire à un biais de mesure important [Lack 2008].
Dans cette proposition, nous proposons de développer un nouvel analyseur Black Carbone basé sur un albédomètre innovant pour aérosols multicanaux permettant des mesures simultanées directes et sans filtre de l’extinction et de l’absorption optiques dépendantes de la longueur d’onde et de l’absorption de BC et d’autres aérosols dans la région spectrale principale de rayonnement solaire (300-2000 nm). Cet albédomètre photonique compact tout intégré consiste en deux dispositifs principaux: (1) une cavité optique à large bande innovante couplée à un spectromètre CCD à haute sensibilité pour former un extinctiomètre à bande large améliorée (BBCE) à bande large pour les mesures d’extinction à résolution de longueur d’onde; (2) un capteur d’absorption photoacoustique amélioré à plusieurs microphones pour les mesures d’absorption intégrées en fonction de la longueur d’onde. Les deux appareils sont couplés à une source de lumière photonique à large bande et haute luminosité.
La mise en œuvre de technologies photoniques avancées améliorera considérablement les performances de l’instrument en permettant la détermination de données de haute qualité pour le BC et d’autres aérosols, tels que les fractions BC et BrC, leurs paramètres optiques (Albedo à diffusion unique et indice de réfraction complexe), dérivés de la données spectrales mesurées sur la totalité des régions spectrales de 300 à 2 000 nm, avec une incertitude inférieure d’environ 5% (comparativement à 20 à 35% des techniques basées sur un filtre [Lack 2006]). Sur la base de l’expertise acquise au cours de nos travaux précédents, la sensibilité et la précision de mesure de l’albédomètre BBCE-PA multicanal proposé devraient être d’environ 0,1 Mm-1 et ~ 0,5 Mm-1, avec une résolution temporelle plus élevée d’environ 1 minute (contre 1 à 10 minutes demandées par l’Agence européenne pour l’environnement [AEE 2013]).
Après validation et caractérisation en laboratoire, l’albédomètre BBCE-PA sera testé et étalonné dans le laboratoire d’essais sur le terrain d’Environnement SA, puis validé par une intercomparaison intensive sur le terrain avec d’autres instruments établis sur le terrain sur des sites de réseaux d’observation nationaux et européens (comme ORAURE et ACTRIS).
Global efforts to mitigate climate change have largely focused on reducing emissions of carbon dioxide (CO2), which is responsible for 55-60% of current anthropogenic radiative forcing on warming impact. Because of its long lifetime (~ 130 years [Sonnemann 2013]) in the atmosphere, long-lasting CO2 will remain the primary driver of long-term temperature rise even if new CO2 emissions dropped to zero. A « fast-action » climate mitigation strategies is therefore strongly needed to provide more sizeable short-term benefits than CO2 reductions by reducing emission of short-lived climate pollutants (SLCPs) having atmospheric lifetimes of less than 20 years [Zaelke 2013], which would lead to short-term drops in atmospheric concentrations and hence slow climate change over the next several decades.
Black carbon (BC), one of the most important SLCPs with an atmospheric lifetime of about one week, warms the atmosphere by absorbing sunlight. BC is considered as the third most powerful climate-forcing agent in the atmosphere after CO2 and CH4 [IPCC 2013]. The uncertainties associated to BC radiative forcing are, for now, larger than 70% and are mainly related to actual measurement techniques that provide limited information to distinguish BC from other aerosols and to its optical properties [Bond 2013]. BC has been also identified as the most harmful air pollutant in terms of its adverse impacts on human health [WHO 2013].
Despite intensive efforts over the past decades, no widely accepted standard measurement method exists for the determination of BC. The most widely used methods are filter-based online aethalometry and off line thermal optical analysis. However all filter-based photometers suffer from non linearity due to the loading of the filter, which may lead to a large measurement bias [Lack 2008].
In this proposal, we propose to develop a novel Black Carbone Analyzer based on an innovative multi-channel aerosol albedometer for direct and filter-free simultaneous measurements of wavelength-dependent optical extinction and absorption of BC and other aerosols in the major spectral region of the solar radiation (300-2000 nm). This all integrated compact photonic albedometer consists of two main devices : (1) an innovative broadband optical cavity coupled to a high-sensitivity CCD spectrometer to form a BroadBand Cavity enhanced Extinctiometer (BBCE) for wavelength-resolved extinction measurements; (2) a multi-microphone enhanced Photoacoustic Absorptionmeter (PA) for wavelength-dependent integrated absorption measurements. Both devices are coupled to a single broadband high-brightness photonic light source.
The implementation of the advanced photonic technologies will significantly improve the instrument performance allowing for the determination of high quality data of BC and other aerosols, such as BC and BrC fractions, their optical parameters (single scattering Albedo and complex refractive index), derived from the measured spectral data over the full spectral regions of 300-2000 nm, with a lower uncertainty of ~ 5% (compare to 20-35% of the filter based techniques [Lack 2006]). Based on the expertise acquired in our previous work, the measurement sensitivity and precision of the proposed multi-channel BBCE-PA albedometer are expected to be ~ 0.1 Mm-1 and ~ 0.5 Mm-1, respectively, with a higher temporal resolution of approximately 1 minute (compared to 1-10 minutes requested by European Environment Agency [EEA 2013]).
After validation and characterization in laboratory, the BBCE-PA albedometer will be tested and calibrated in the Environnement S.A field test laboratory, and then validated via intensive field intercomparison with other field-established instruments on national and European observation network sites (like ORAURE and ACTRIS).