L’AEROSOL DE COMBUSTION EN AFRIQUE

Ce chapitre rend schématiquement compte d’un état de l’art sur les aérosols carbonés (« black carbon » et carbone organique) en Afrique et répond également à la question de l’intérêt d’étudier cet aérosol sur le continent africain. Une première partie, consacrée à la définition de l’aérosol de combustion, est suivie par un descriptif général de leurs caractéristiques : composition chimique, hygroscopicité, propriétés optiques, granulométrie et impacts. Une troisième partie présente les émissions d’aérosols carbonés provenant des feux de biomasse et des combustibles fossiles et des biofuels. Enfin, le contexte spécifique d’une étude sur le continent africain est présenté dans la quatrième partie.

Définition de l’aérosol de combustion

Les aérosols de combustion sont émis par des sources de combustion de combustibles fossiles, de biofuels et de biomasse. Si une combustion (oxydation) parfaite transforme le carbone en gaz carbonique, la plupart des combustions incomplètes conduisent à l’émission de composés gazeux autres que le seul CO2, ainsi qu’à l’émission de particules dites primaires : nous avons le carbone suie (« black carbon » ou BC) et du carbone organique primaire (OCp). Les polluants gazeux émis comprennent également des composés carbonés tels que le monoxyde de carbone (CO) et des composés organiques volatils (COV). Aussi par photochimie, les COV peuvent former des particules organiques dites d’origines secondaires ou SOA. Notons que le carbone organique peut également provenir des COV d’origine biogénique. Les concentrations en aérosols de combustion varient dans l’atmosphère avec le carbone organique toujours prépondérant par rapport au carbone suie. La définition et les techniques de mesures dans l’atmosphère des aérosols carbonés (composés de « black carbon » et de carbone organique) sont encore sujets à débats dans la communauté scientifique, encore amplifié par la découverte récente d’un type de carbone : le « brown carbon » capable d’absorber la lumière (Andreae and Gelencsér, 2006). La définition du carbone suie et du carbone organique s’appuie sur une grande variété de définitions basées sur les processus d’émissions, les caractéristiques morphologiques, leur composition chimique et les propriétés optiques. Etant donné que ces définitions ne sont pas généralement cohérentes entre elles, la terminologie est complexe. Nous présentons par la suite, un ensemble de définitions sur les différents termes se rapportant à l’aérosol de combustion.

Le carbone et son « continuum »

Ainsi, les aérosols carbonés formés présentent une grande variété de structures, très compactes (e.g. fullerènes) ou très ouvertes (chaînes, structures fractales,…). Ces structures ne se distinguent pas entre elles de manière « tranchée », ce qui se traduit pas leur plus ou moins grande densité et un contenu en carbone graphitique variable, à l’origine d’un « continuum » de leurs propriétés optiques et chimiques. L’aérosol carboné apparaît ainsi comme un mélange complexe de particules constituées d’un squelette de graphite associé à des fonctions C-O et des chaînes d’hydrocarbures localisées en surface (Cachier, 1998). La fraction carbonée totale (TC) se sépare en plusieurs composantes : le « black carbon » dont le carbone élémentaire ou graphitique et le carbone organique. La distinction entre carbone élémentaire, « black carbon » et carbone organique est délicate. La séparation entre ces composés ne peut se faire chimiquement, car on ne connaît que 20 à 40% des structures moléculaires composant le carbone (Cachier, 1998). Faute de définition purement chimique, la définition de ces 3 éléments du carbone s’appuie sur leurs propriétés thermiques et/ou thermochimiques pour établir des distinctions dans le continuum carbone .

La distinction entre carbone élémentaire, « black carbon » et carbone organique est délicate. La séparation entre ces composés ne peut se faire chimiquement, car on ne connaît que 20 à 40% des structures moléculaires composant le carbone (Cachier, 1998). Faute de définition purement chimique, la définition de ces 3 éléments du carbone s’appuie sur leurs propriétés thermiques et/ou thermochimiques pour établir des distinctions dans le continuum carbone de la figure 1.1. carbone suie soit généralement dominée par le carbone (typiquement de l’ordre 85-95%, C 3- 8% O, H et 1-3% en poids dans divers types de particules de « black carbon » (Ebert, 1990 ; Clague et al., 1999 ; Grieco et al., 2000 ; Ferry et al., 2002)), elles peuvent être considérées comme un complexe tridimensionnel de polymères organiques avec capacité à transférer des électrons, plutôt que simplement une forme amorphe de carbone élémentaire (Chang et al., 1982). La fraction massique relativement faible de l’oxygène dans le carbone suie peut être « trompeuse », puisque cette fraction est en fait répartie en surface dans les divers groupes fonctionnels, de sorte qu’il ne se comporte pas en tant que carbone graphitique pur dans la plupart des processus atmosphériques. La quantité d’oxygène en surface de ces particules dépend des conditions de combustion, avec des régimes de combustion plus efficaces, avec une plus grande abondance d’oxygène et des structures à défauts à la surface de la particule (Chughtai et al., 2002 ; Su et al., 2004). Cette forme augmente ainsi la réactivité chimique des particules (y compris leurs propriétés thermochimiques) et leur caractère hydrophile dans l’atmosphère. Dans la littérature et selon Pöschl (2003), le carbone suie est appelé de différentes manières. Le terme « BC » est généralement utilisé quand on mesure le carbone suie par des méthodes optiques ou thermo-optiques, tandis que le terme « EC » est classiquement la dénomination préférentielle dans les classifications thermochimiques traitant de la composante réfractaire. Notons que dans certaines études, EC est également la partie graphitique. Sur le BC, on a vu qu’il existe des fonctions H et O. Le nombre de ses fonctions va varier avec le type de combustion et on va avoir une part significative de matières organiques (OC) adsorbées lors du refroidissement des produits de combustion, environ 10% d’atomes d’hydrogène et des traces de différents autres éléments comme l’oxygène ou l’azote piégés dans la structure graphitique du noyau carboné (Seinfeld and Pandis, 1998), des métaux également (cf. figure 1.1). Dans le « continuum » du carbone et de matières organiques, il est difficile de séparer le BC du OC. Diverses méthodes de mesures ont été développées et utilisées pour séparer les composantes de l’aérosol carboné, selon certaines de leurs propriétés caractéristiques (Rosen and Novakov, 1977 ; Ellis and Novakov, 1982 ; Cadle et al., 1983 ; Andreae et al., 1984 ; Gundel et al., 1984 ;. Hansen et al., 1984 ; Heintzenberg, 1988 ; Hitzenberger et al., 1999 ; Schmid et al., 2001 ; Ten Brink et al., 2004). Notons qu’une complexité supplémentaire est apparue récemment indiquant que certains composés organiques, en plus du BC peuvent également contribuer à l’absorption de lumière. Ce dernier point a été prouvé lors de mesures chimiques en laboratoire ou lors de mesures directes de la dépendance spectrale de l’absorption de la lumière (Mukai and Ambe, 1986 ; Havers et al., 1998 ; Hoffer et al., 2005) : il s’agit du « Brown carbon » (Andreae and Gelencsér, 2006).