Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
L’ampleur des phénomènes des feux de forêts et leur récurrence aussi bien en France, avec un record de feux pendant l’été 2022, que dans le monde avec les feux en Australie en 2019-2020 et en Californie (États-Unis) en 2021-2022, en font un sujet d’étude prioritaire. Les feux de biomasse contribuent à la dégradation de la qualité de l’air par l’émission de particules fines, la production d’ozone et d’aérosols secondaires et accélèrent le changement climatique par la production de gaz à effet de serre (GES). L’ensemble des espèces émises lors de la combustion sont très variées au sein du panache de fumée et constituent des sources de réactions chimiques durant le transport du panache dans la troposphère et la basse stratosphère.
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Gisèle KRYSZTOFIAK : Maitre de conférences - Docteur en Sciences de la Terre et de l’Atmosphère de l’université d’Orléans - Laboratoire de Physique et de Chimie de l’Environnement et de l’Espace (LPC2E), OSUC, UMR 7328 CNRS, Université d’Orléans, CNES, Orléans, France
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Valéry CATOIRE : Professeur des universités, Docteur en Chimie Physique de l’université de Bordeaux - Laboratoire de Physique et de Chimie de l’Environnement et de l’Espace (LPC2E), OSUC, UMR 7328 CNRS, Université d’Orléans, CNES, Orléans, France
INTRODUCTION
La combustion de la biomasse dans le monde comprend principalement les feux de forêt et les étendues de verdure, les feux domestiques et les feux de résidus de récolte dans les champs agricoles. Selon le type de biomasse brûlé et la localisation géographique du feu, les émissions dues à la combustion et leur impact sur la qualité de l’air et le climat seront différents. Cependant, l’impact des feux de forêt contribue le plus aux émissions totales de la combustion de la biomasse au niveau mondial.
Les feux de forêt ou de biomasse sont de plus en plus fréquents dans le monde. Ceci peut être en partie associé au changement climatique et avoir des effets néfastes sur la qualité de l’air au niveau local et régional, mais aussi sur le climat mondial. L’actualité de l’été 2022 en est la parfaite illustration, avec des épisodes de feux records au niveau de la France transportant des polluants à plusieurs centaines de kilomètres. La seconde actualité marquante est la large période de feux en Australie, fin 2019 et début 2020, impactant la composition de la troposphère et stratosphère au niveau hémisphérique. Il faut également citer les feux récurrents de forêt au niveau de la Californie et du Canada chaque année impactant les populations locales, la qualité de l’air au niveau régional et le transport de polluants au niveau hémisphérique.
Au cours de phénomènes de combustion de biomasse (forêts équatoriales ou de moyennes et hautes latitudes, savanes…), une grande quantité d’espèces chimiques est émise (CH4, CO, CO2, NOx = NO + NO2), mais également des composés organiques volatils (COV) oxygénés ou non (aldéhydes, acides…), accompagnés de particules sous forme de suies. La diversité et la réactivité des espèces chimiques au cœur du panache en font un réacteur chimique à grande échelle où de nombreuses espèces possédant des temps de vie variés se forment, comme l’ozone et les aérosols organiques secondaires.
L’augmentation de la fréquence des feux et de leur intensité a entraîné des niveaux élevés de COV et de NOx depuis plusieurs années (toutes sources confondues) avec un doublement approximatif de l’ozone dans la basse troposphère au cours des deux derniers siècles, faisant de l’ozone troposphérique l’un des gaz à effet de serre anthropiques les plus importants après le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4).
L’observation et la compréhension des phénomènes se produisant au sein des feux de biomasse de la source jusque pendant le transport sont cruciales afin de valider les modèles de chimie et de climat (régionaux et globaux) pour une prévision sur le long terme de l’impact des feux sur la qualité de l’air et du climat.
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Sigles, notations et symboles5. Glossaire
GC-ECD (Gas Chromatography coupled with Electron Capture Detector)
La chromatographie est une technique permettant de séparer au sein d’une colonne chauffée des composés volatils ou semi-volatils en fonction de leur température d’ébullition et de leur polarité. À la sortie du chromatographe, les composés sont révélés par un détecteur, ici le détecteur à capture d’électrons (ECD). Celui-ci est utilisé pour détecter les composants absorbant les électrons donc fortement électronégatifs. Ce détecteur utilise une source radioactive comme source d’électrons.
CIMS (Chemical Ionization Mass Spectrometer)
Le CIMS est un spectromètre de masse dont le mode d’ionisation ou de formation des ions se fait chimiquement par réaction entre le gaz à analyser et un ion généré en excès. La molécule conduisant à l’ion se choisit en fonction des gaz à analyser et selon la sélectivité voulue. Par la suite, les ions formés sont séparés et analysés en masse.
TD-LIF (Thermal Dissociation - Laser-Induced Fluorescence)
Cet instrument utilise la capacité de certaines molécules à fluorescer après une excitation dans un certain domaine de longueur d’onde, ici excitation induite par un laser. La partie dissociation thermique permet la conversion de certaines molécules en une nouvelle molécule commune. Par exemple la dissociation des peroxyacetyl nitrates sous l’effet de la chaleur donnera NO2 qui pourra être directement analysé par la partie LIF.
PTR-ToF-MS (Proton Transfer Reaction - Time of Flight - Mass Spectrometry)
Le PTR-MS permet la détection des composés ionisables par la réaction avec H3O+ généré par une lampe à cathode creuse. Les composés ionisés sont ensuite séparés en masse selon leur temps de vols et détectés. Les molécules ayant la même masse (isomères) ne seront pas différenciées et leur concentration sera alors affichée comme un total.
HR-ToF-AMS (High Resolution - Time of Flight - Aerosol Mass Spectrometer)
Cet instrument est un spectromètre de masse spécialisé dans la caractérisation et la détection des aérosols. La source d’ionisation se fait par impact électronique et la séparation en masse des fragments par temps de vol.
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SIMONEIT (B.R.T.) - Biomass burning – a revew of organic tracers for smoke frome incomplete combustion. - Applied Geochemistry, Elsevier, 17, p. 129-162 (2002).
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(2) - DRYSDALE (D.) - An Introduction to Fire Dynamics. - John Wiley & Sons Ltd; 2e edition (1998).
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(3) - MUHAMMAD (A.S.), EIRIK (C.G.), JIULING (Y.), GUILLERMO (R.) - Review of the Transition From Smouldering to Flaming Combustion in Wildfires. - Frontiers in Mechanical Engineering, 5 (2019), DOI=10.3389/fmech.2019.00049
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(4) - LARIS (P.), KONÉ (M.), DEMBÉLÉ (F.), RODRIGUE (C.M.), YANG (L.), JACOBS (R.), LARIS (Q.) - Methane gas emissions from savanna fires: what analysis of local burning regimes in a working West African landscape tell us. - Biogeosciences, 18, p. 6229–6244 (2021), https://doi.org/10.5194/bg-18-6229-2021
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(5) - ANDREAE (M.O.), MERLET (P.) - Emission of trace gases and aerosols from biomass burning. - Global Biogeochem. Cy., 15, p. 955–966 (2001).
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