La campagne d’été 2010/2011 et l’identification de la source manquante

surestimées jusqu’à 250 pptv. Au total, 19 cycles journaliers sont mesurés par vitesses de vent supérieures à 8 m.s^-1, et présentent une amplitude moyenne de 60 pptv.

- 20 jours de mesures continues au shelter iono, incluant 11 jours présentant des cycles diurnes marqués d’amplitude comprise entre 30 et 240 pptv mais potentiellement surestimés à cause de la source locale. En retirant les données mesurées par vitesse de vent inférieure à 8 m.s^-1 pour éliminer la contamination de façon certaine, quatre journées présentant des cycles diurnes de 40 pptv d’amplitude peuvent être isolées.

- 7 jours de mesures continues dans le container du Lion, non impactées par la source locale inconnue et avec deux journées présentant une variation journalière marquée, d’environ 40 pptv d’amplitude.

Pour augmenter le nombre de journées non contaminées, et donc quantifier correctement l’amplitude des variations journalières de la concentration atmosphérique du formaldéhyde, une nouvelle campagne de comparaison était nécessaire sur la période estivale (entre octobre et mars). Le deuxième but de cette campagne était de déterminer la nature de la source de contamination additionnelle estivale.

3. La campagne d’été 2010/2011 et l’identification de la source

dans la Figure 3-18. Après élimination des données à haute-résolution contaminées par les combustions de la base et la source locale par vent faible, l’écart moyen entre les moyennes horaires des concentrations de HCHO mesurées sur les deux sites est réduit à 35 pptv. Cette valeur est inférieure à la limite de détection des appareils. On remarque cependant que les moyennes horaires des mesures sur le site du Shelter Iono après filtrage peuvent être augmentées par la source locale à hauteur de plus d’une centaine de pptv par rapport à celles mesurées sur le Lion, pour quelques rares évènements (moins de 5% sur les 13 jours de mesures). Ces évènements correspondent à des situations de vent faiblissant à moins de 10 m.s^-1, ce qui rejoint l’observation précédente concernant les valeurs par vent faible : dans de rares cas, les émissions par la source locale semblent être suffisamment fortes pour impacter les valeurs mesurées pour des vitesses de vent inférieures à 10 m.s^-1 et de directions variant entre 90 et 170°.

Figure 3-18 - comparaison des moyennes horaires de HCHO mesurées sur le Lion et au shelter Iono. Le filtre 1 élimine les mesures par vent faible (WS<4) et par direction défavorable (350<WD<60 pour le shelter iono et 160<WD<270 pour le Lion).

Afin de vérifier que les écarts de direction et de vitesse entre les masses d’air arrivant sur la station Météo France et sur les lignes de prélèvement ne sont pas significatifs, une seconde station météorologique a été installée au shelter iono (à 500m de la station Météo France), à une hauteur de 4m. Des écarts non systématiques entre les vitesses de vent relevées par la station Météo France et la seconde station ont pu être observés dans certains cas de vent faible, avec une surestimation de l’ordre de quelques m.s^-1 probablement liée à la situation

orographique différente, et pouvant expliquer les 5% d’évènements d’écarts présentés précédemment.

Cette campagne a permis d’ajouter 6 jours de mesures montrant une évolution journalière marquée (amplitude d’environ 30 pptv) du rapport de mélange du formaldéhyde sur le site du shelter iono dans des conditions où l’on peut éliminer toute contamination : retrait des valeurs par direction défavorable (350°<WD<50°) et par vitesse de vent inférieure à 8 m.s^-1. Leur étude sera détaillée dans le chapitre 4. Les mesures sur le site du Lion ont permis d’obtenir 10 jours de mesures continues sur ce site très peu impacté par la contamination des combustions uniquement ; malheureusement la météo lors de l’utilisation de ce site n’a pas permis d’observer de cycles diurnes.

3.2. Identification de la source locale additionnelle

Une source de contamination locale impacte donc le secteur 330° nord – 110° est par rapport au labo3, mais semble également suffisamment dispersée sur l’île des Pétrels pour impacter dans certains cas le site du shelter iono. Peu de sources potentielles pouvaient être envisagées : en dehors des quelques passages de véhicules sur la route menant au dortoir-été (voir Figure 3-7), seule la présence d’une avifaune très abondante sur toute l’île des Pétrels pouvait alors être considérée. La présence des manchots Adélie constitue une source très importante de matière organique sur l’île, tant par le guano des individus sur site que par les sols ornithogéniques qui constituent la quasi-totalité des surfaces déneigées. Le guano accumulé sur la banquise par la colonie de manchots Empereur constitue également un réservoir important de matière organique, mais il reste relativement éloigné des sites de prélèvement. D’autre part, le substrat organique présent sur toutes les colonies de manchots Adélie héberge également une quantité extrêmement forte de bactéries (Delille, 1987;

Ramsay, 1983). La question se posait donc de savoir si ce substrat organique pouvait émettre dans l’atmosphère un certain nombre de composés organiques volatils (COVs) dont du formaldéhyde, en invoquant plusieurs mécanismes éventuels : dégradation bactérienne de la matière organique, oxydation photochimique ou encore émissions de COVs photolysables.

Pour le formaldéhyde, aucune donnée bibliographique ne venait étayer cette hypothèse ; seule

Adélie, mentionne des émissions de méthane lors de cycles gel/dégel pouvant atteindre jusqu’à 0.183 mg CH₄–C kg⁻¹ h⁻¹ sous forçage de température (simulation de cycles gels/dégel). Pour le cas extrême d’une masse de substrat de 100 kg réparti sur 100 m² émettant dans une couche de 10m les émissions correspondantes sur une durée de 6 heures atteindraient 150 ppbv, soit 10% de la concentration de méthane atmosphérique. Les émissions de HCHO indirectes par oxydation du méthane émis par ces sols peuvent donc être négligées devant celles provenant de l’oxydation du réservoir atmosphérique de méthane.

Cependant, au vu de l’omniprésence des manchots Adélie sur l’île des Pétrels (voir Figure 1-7 dans le chapitre 1), l’un des objectifs de la mission 2010/2011 concernant le formaldéhyde était d’examiner si l’on pouvait effectivement exclure leur guano en tant que source de formaldéhyde atmosphérique. Plusieurs tests qualitatifs ont donc été effectués sur le site de mesures du shelter iono afin de vérifier si le guano des manchots est susceptible d’émettre directement du formaldéhyde dans l’atmosphère. La mesure simultanée des émissions de plusieurs COVs comme l’acétaldéhyde, l’acétone, l’acide acétique et l’acide formique ainsi que HCHO, et de l’ammoniac NH₃, a permis de montrer que le formaldéhyde est de loin le composé le moins impacté par les émissions par les sols ornithogéniques, avec une perturbation atteignant 1 ppbv au maximum (Legrand et al., soumis, voir Annexe 3). Ce test révèle donc l’existence d’émissions directes de plusieurs COVs, dont le formaldéhyde, par le guano de manchot. Il faut noter que les niveaux mesurés lors de ces tests constituent des valeurs extrêmes d’émissions directes par du guano concentré. Les émissions réelles sont donc beaucoup plus faibles du fait d’une part du lessivage des sols par les eaux de fonte, et d’autre part de la dilution atmosphérique de la source.

Au cours de cette récente mission, l’influence des émissions par les sols ornithogéniques a été étudiée en mesurant les gradients de concentration pour différentes hauteurs de pompage au dessus d’une flaque d’eau de fonte située en aval des colonies de manchots Adélie proches du shelter. La ligne de pompage de l’un des deux analyseurs a été placée soit à 10 cm au dessus de cette flaque, soit à 3.3 m au dessus du sol, tandis que celle du second analyseur restait fixe à 2m du sol. L’excellente reproductibilité entre les deux appareils installés avec la même ligne d’aspiration a été vérifiée (voir Figure 3-9). Pour le pompage situé à 10 cm au dessus de la flaque, une augmentation moyenne de 24 pptv a été observée en journée par rapport à celui situé à 2m du sol, pour une vitesse de vent moyenne de 6.3 m.s^-1 et des températures

supérieures à -7 °C. Aucun écart n’a été mesuré pour les valeurs de nuit, pour une valeur moyenne de vitesse de vent de 9 m.s^-1 et des températures inférieures à -7 °C. Bien que cette valeur de 24 pptv soit inférieure à la limite de détection des appareils, la très bonne reproductibilité atteinte au cours de cette série de mesures (voir paragraphe 2.3) permet de penser que cette valeur est significative d’émissions se produisant par vent faible et température élevée. Les émissions par les sols semblent donc susceptibles de se produire pour des températures atmosphériques supérieures à ~ -7°C. Il faut noter que la température mesurée par la station météorologique n’est pas représentative de celle des sols ornithogéniques lors de journées à très forte insolation : cette température limite ne constitue donc qu’un seuil indicatif. L’alternance des hauteurs de pompage du premier analyseur entre 10 cm et 3.3m (le second étant fixe à 2m) lors d’une journée propice à de fortes émissions (vent très faible de vitesse inférieure à 4 m.s^-1 et température moyenne de 0°C) semble confirmer l’existence d’un gradient vertical de concentration au dessus du sol sur les premiers mètres (environ 10 pptv.m^-1). Aucun gradient n’a pu être observé lors d’une période de vent moyen de 9 m.s^-1 et de température moyenne de -4°C. Ces observations démontrent l’existence d’émissions directes de formaldéhyde par les sols ornithogéniques dans certaines situations de vent faible propices à la contamination, que nous avons précédemment observées dans le paragraphe 2.3. Par situation de vent très faible (en dessous de 4 m.s^-1), les émissions sont fortes et quasi systématiques l’été ; elles deviennent très rares pour des vitesses supérieures à 10 m.s^-1. Il semble également que les températures élevées (supérieures à environ -7°C) conditionnent ces émissions.

Si l’étude des variations saisonnières de cette source sort du cadre de ce travail, nous pouvons néanmoins en faire une description rapide. Cette source locale de contamination par les sols ornithogéniques se met en place progressivement à partir de la fin du printemps austral selon les conditions météorologiques, en particulier l’ensoleillement, la température, et l’albédo de ces sols selon la surface enneigée. La nidification des manchots Adélie sur le site au cours de l’été austral augmente fortement la quantité de substrat susceptible d’émettre du formaldéhyde, avec un pic d’émission autour de janvier. Après le départ des manchots, la diminution de la température et de l’insolation ainsi que les chutes de neige recouvrant les sols implique un arrêt des émissions à la fin de l’été austral (mi-mars). Toutefois, l’étude de

sols consécutive à des chutes de neige, l’été austral 2010/2011 constituant un cas extrême d’émission par les sols, en lien avec de fortes chutes de neige suivie de périodes très ensoleillées associées à des températures douces. Ce constat permet de définir la période d’utilisation des filtres de sélection des données potentiellement contaminées (voir Figure 3-16) :

- application du critère de direction incluant le secteur de la station (70°<WD<330°

pour le labo3) et de vent faible (WS<4) sur la période hivernale, de mars à octobre, - application du critère de direction incluant la source locale (110°<WD<330° pour le

labo3) et de vent faible (WS<4) sur la période estivale, de novembre à février.

En ce qui concerne l’étude des variations journalières estivales, les valeurs mesurées par vitesse de vent inférieures à 8 m.s^-1 ont été retirées (en plus de l’application du critère de direction), car à une échelle journalière la sensibilité à une contamination locale par vent faible est plus importante.