Study of concentrations and composition of PM₁₀ on the North coast of France : Evaluation of the maritime contributions of the Channel-North Sea area
Étude des concentrations et de la composition des PM₁₀ sur le littoral du Nord de la France : Evaluation des contributions maritimes de l'espace Manche-Mer du Nord
Résumé
The Nord-Pas-de-Calais region is one of the most concerned areas in France by exceedance of the PM₁₀ mean daily limit value (50 µg m-³). The particulate atmospheric background level can also be high on the coastal zone, despite the absence of any urban and industrial sources at its vicinity. Numerous studies have been performed regarding those sources, but there is still a lack of knowledge about the impact of emissions resulting from the marine compartment, including natural emissions (sea salts) and anthropogenic emissions (maritime traffic). Two measurement campaigns have been achieved, in 2013 at Cape Gris-Nez and in the first trimester 2014, simultaneously at Cape Gris-Nez and in the harbour of Calais. Concentrations of PM₁₀ were recorded and chemical composition was determined (metals, water soluble ions, Ec, OC, organic tracers). In 2013, the evolutions of PM₁₀ levels at Cape Gris-Nez and in the region similar, reflecting the atmospheric background fluctuation. NO₃-, OC, SO₄²-, CI-, Na⁺ and NH₄⁺ were found as the major species and correspond to 69% of PM₁₀ mass. The proportion of these species evolves depending on the season and the meteorological conditions (temperature, wind speed and direction). High PM₁₀ concentration situations are characterized by high proportion of ammonium nitrate. Data collected in Calais show that maritime traffic emissions increase the number of ultrafine particles in the atmosphere. Under this influence, NOx and SO₂ concentrations are higher, as those of V, Ni and Co, species that could be used as maritime traffic tracers. 10 sources were identified and apportioned by matrix factorization. In average, in 2013 at Cape Gris-Nez, 41% of PM₁₀ come from secondary inorganic aerosols, 37% from sea salts and 10% from biomass combustion. This last contribution can reach 17% in winter. Maritime traffic represents a higher contribution to PM₁₀ than road traffic, 5% against 2%.
La région Nord-Pas-de-Calais figure parmi les régions françaises les plus concernées par les dépassements de valeurs limites journalières de concentrations de PM₁₀ (50 µg m-³). Sur le littoral, le niveau de fond atmosphérique particulaire demeure parfois élevé, bien que relativement éloigné des sources principales de particules que sont le trafic routier et l'industrie. Alors que de nombreuses études ont été réalisées sur les émissions en milieu industrialo-portuaire, il ressort un manque de connaissances concernant l'impact des émissions issues du secteur maritime, qu'il s'agisse d'apports naturels (sels marins) ou anthropiques (trafic maritime). Dans ce travail, deux campagnes de mesures ont été menées : en 2013 au Cap Gris-Nez et au premier trimestre 2014, simultanément au Cap Gris-Nez et dans le port de Calais. La concentration en PM₁₀ a été suivie et la composition chimique (métaux, ions hydrosolubles, EC, OC, traceurs organiques) en a été déterminée. Sur le site du Cap Gris-Nez en 2013, l'évolution des niveaux de PM₁₀ est similaire à celle observée en région, reflétant la fluctuation du fond atmosphérique. Les espèces majoritairement sont NO₃-, OC, SO₄²-, CI-, Na⁺ et NH₄⁺ et représentent 69% de la masse de PM₁₀. La proportion de ces espèces varie selon la saison et les conditions météorologiques (température, vitesse et direction du vent). Les situations de fortes teneurs de PM₁₀ sont caractérisées par une plus grande proportion de nitrate d'ammonium. Les données recueillies sur le site de Calais ont permis de montrer que les émissions du trafic maritime ont pour effet d'augmenter le nombre de particules ultrafines dans l'atmosphère. Sous cette influence, les concentrations en NOx et SO₂ apparaissent plus élevées, ainsi que celles des espèces V, Ni et Co qui peuvent être proposées comme traceurs du trafic maritime. L'utilisation de la factorisation matricielle nous a permis d'identifier 10 sources de particules et d'en estimer les contributions. Ainsi, en moyenne en 2013 au Cap Gris-Nez, 41% des PM₁₀ sont issus des aérosols inorganiques secondaires, 37% des sels marins et 10% de la combustion de biomasse. Pour cette dernière, la contribution peut atteindre 17% en hiver. Enfin, le trafic maritime (5%) contribue davantage à la concentration de PM₁₀ que le trafic routier (2%).
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