Il existe actuellement un manque d'étalons traçables et de procédures d'étalonnage harmonisées pour mesurer les particules en suspension dans l'air. En outre, les méthodes de mesure des PM10 et des PM2,5 (concentration en masse de particules) dans le cadre de la directive européenne sur la qualité de l'air 2008/50/CE doivent être améliorées, afin d'assurer la comparabilité des données locales mesurées par des instruments reposant sur des principes de fonctionnement différents.

Par conséquent, des méthodes de référence pour mesurer les PM10 et PM2,5 et des méthodes d'étalonnage pour les instruments utilisés pour ces mesures sont nécessaires.

La chimie des aérosols (analyse de la composition élémentaire) fait également partie de la réglementation existante et il est nécessaire de comprendre leurs origines, leur comportement, leur devenir et leurs impacts dans l'environnement (c'est-à-dire les effets sur la santé et le climat). Des méthodes validées pour la détermination des principaux composants des PM sont nécessaires ainsi que des procédures fiables pour les instruments standard tels que les spectromètres de taille de particules à mobilité (MPSS) et les compteurs de particules de condensation (CPC). Les techniques modernes d'analyse par rayons X ont le potentiel de permettre l'analyse chimique quantitative des particules en suspension dans l'air directement à leurs sources d'émission. Par conséquent, les nouvelles techniques de rayons X traçables SI sont un desideratum de développement.

Les procédures développées dans le cadre du projet européen AEROMET décrivent un ensemble de tests qui pourraient être utilisés pour démontrer l'équivalence des instruments PM automatiques avec la méthode de référence, ou pour les étalonner de façon routinière. Les éléments essentiels de la procédure ont été démontrés expérimentalement. De plus, l'incertitude élargie dans la détermination de la concentration massique de PM de référence reste bien inférieure à 15 %.

Par ailleurs, des techniques mobiles de spectroscopie à réflexion totale de rayons X combinées à des techniques d'échantillonnage de particules à fractionnement de taille ont été utilisées avec succès pour quantifier les compositions de particules élémentaires sur le terrain pour une analyse en temps réel. Des analyses ICP-MS et TXRF basées sur la SR physiquement traçables ont été utilisées pour l'analyse complémentaire des échantillons de terrain à des fins de validation.

• Contribution dans des comités de normalisation européens et internationaux
• Lancement d’activités de développement d’instrumentations pour plusieurs parties prenantes
• Les résultats du projet fourniront des améliorations méthodologiques et des innovations pertinentes dans la surveillance des aérosols ambiants afin de surmonter les lacunes existantes dans l'analyse des PM

• PTB (Leader)
• BAM,
• CMI,
• DFM,
• INRIM,
• LNE,
• NILU,
• NPL,
• CIEMAT,
• DTI,
• FORCE,
• IJS,
• IRSN,
• LUND,
• MTA-EK,
• NTUA,
• PMO,
• TROPOS,
• UNICAS,
• BRUKER NANO
• METAS,

http://www.aerometproject.com/

Les aérosols qualifiés de carbone suie intéressent la communauté scientifique et les décideurs politiques depuis le début du XXe siècle en raison de leur rôle dans le changement climatique et de leurs effets sur la santé. Le carbone suie a été identifié comme le deuxième agent de forçage climatique le plus important après le CO₂. De plus, les études sur les effets à court terme sur la santé suggèrent que le carbone suie est un meilleur indicateur de substances particulaires nocives provenant de sources de combustion que la concentration massique de PM. Les sources dominantes ont cependant changé au fil des décennies, allant de la combustion domestique et industrielle du charbon vers les émissions de combustion liées aux véhicules, avec des contributions plus récentes de la combustion du bois.

Ces aérosols ont été largement caractérisés par diverses méthodes optiques depuis le début du XXe siècle étant donné la simplicité de fonctionnement des instruments basés sur ces méthodes. Néanmoins, la traçabilité de ces mesures est entravée par le fait que les instruments déterminent l'absorption des particules collectées sur un filtre fibreux. Bien que la mesure d'absorption optique elle-même puisse être effectuée avec précision, la présence du filtre a un effet important en raison de la diffusion interne à l'intérieur du filtre qui peut augmenter l'absorption d'un facteur 5 et donc biaiser les mesures. Ces effets sont actuellement traités avec des facteurs de correction implémentés dans les instruments.

C'est la nécessité de remplacer ces facteurs de correction par des facteurs d'étalonnage correctement déterminés qui ont été au cœur du projet européen intitulé Black Carbon. Ces facteurs de correction sont souvent intégrés dans le coefficient d'absorption massique utilisé pour convertir le coefficient d'absorption de la lumière en une concentration massique particulaire. Mais, l'absence de cadre métrologique, voire de cadre normatif pour le carbone suie a été mise en évidence en 2013 par l'Agence européenne pour l'environnement (AEE) ainsi que par le BIPM-GAWG Particulate Workshop en avril 2015 sachant que différents types d'instrument de mesure donnent des résultats pouvant varier jusqu'à 30% et qu’aucune procédure n’existe pour fournir une traçabilité nécessaire à des résultats justes.

Durant le projet, les propriétés physiques des aérosols pertinentes pour les mesures du carbone suie ont été clairement définies, de manière à clarifier comment la traçabilité au SI peut être établie. Des matériaux de référence ainsi qu'une méthode pour leur introduction contrôlée en laboratoire ont été développés. Le projet a également permis de travailler sur une méthode primaire traçable pour déterminer les coefficients d'absorption des aérosols. Ce procédé de laboratoire, traçable au SI et bien caractérisé doit permettre de déterminer les coefficients d'absorption des aérosols à des longueurs d'onde spécifiques.

Le LNE a été impliqué sur les travaux liés au développement de matériaux de référence de par l’implication de trois générateurs d’aérosols candidats. Deux premiers générateurs étaient associés à la nébulisation d’aérosols à partir de suspensions de graphite colloïdal et de billes de polystyrène latex noires. Le troisième mettait en œuvre deux électrodes de graphite entre lesquelles une décharge électrique pulsée permet la désorption de particules de carbone avant leur transport dans un gaz vecteur. Puis une comparaison interlaboratoires a été organisée afin de comparer les différentes solutions techniques proposées par les partenaires du projet.

• Etablissement d'un comité des parties prenantes
• Avantage aux fabricants européens d'instruments liés au carbone suie, qui auront un accès rapide à des installations d'étalonnage traçables pour leurs instruments actuels, et qui utiliseront également ces installations pour développer des conceptions innovantes plus rapidement
• Amélioration de l’exactitude et de la comparabilité des mesures de carbone suie dans les réseaux de surveillance des aérosols à travers l'Europe, grâce au développement de matériaux de référence pour le carbone suie, des installations nationales primaires et des mécanismes d'étalonnage traçables
• Les résultats du projet devraient servir de base à de nouvelles normes documentaires pour la surveillance du carbone suie par des organisations européennes et internationales d'élaboration de normes comme le CEN et l'ISO
• Potentiellement, législation révisée sur la qualité de l'air, basée sur le carbone suie, pour laquelle des méthodes de mesure fiables sont disponibles
• Mesures améliorées utilisées directement dans les projets de mesures d'aérosols atmosphériques au sein de l'UE, affinant les modèles de changement climatique et les propositions d'atténuation, et permettant d’améliorer la qualité des conclusions des études de cohorte sur la santé qui examinent les effets sanitaires de la pollution atmosphérique

M. Gini, P. Fetfatzis, E. Diapouli, S. Vratolis, E. Asmi, J. Backman, T. Müller, M. Gysel-Beer, K. Vasilatou, M. Ess, F. Gaie-Levrel, K. Ciupek, J. Saturno, A. Nowak, A. Wiedensholer, P. Quincey, K. Eleftheriadis, Overview of the winter black carbon campaign in Athens, European Aerosol Conference (EAC2020), Online - Hosted by GAeF Gesellschaft für Aersosolforschung e.V., 31 août – 4 septembre 2020.

B. Romshoo, T. Müller, A. Nowak, J. Saturno, P. Quincey, K. Ciupek, K. Vasilatou, M. Ess, K. Eleftheriadis, M. Gini, F. Gaie-Levrel, A. Wiedensohler, Laboratory generated soot: Application for optical modelling at various stages of ageing, European Aerosol Conference (EAC2020), Online - Hosted by GAeF Gesellschaft für Aersosolforschung e.V., 31 août – 4 septembre 2020.

• NPL (Royaume-Uni)
• IL (Finlande)
• PTB (Allemagne)
• NCSR DEMOKRITOS (Grèce)
• TROPOS (Allemagne)
• FHNW (Suisse)
• METAS (Suisse)
• PSI (Suisse)

http://www.empirblackcarbon.com/

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Le projet européen, coordonné par le NPL, a pour objectif d’initier un centre européen virtuel d’observation du climat et de la Terre depuis l’espace, en rassemblant non seulement les spécialistes des mesures (capteurs et traçabilité) mais aussi les spécialistes de la météorologie, et de réaliser un laboratoire de mesure en orbite qui permettrait d’effectuer des mesures avec les mêmes incertitudes que celles obtenues en laboratoire.

Les travaux sont répartis entre 12 partenaires et sont organisés en 4 lots de tâches techniques :

1.  Étalonnages des instruments avant embarquement ;
2. Développement de références pour l’étalonnage à bord ;
3. Mesures à bord pour assurer la traçabilité des instruments ;
4. Mise en œuvre d’un laboratoire dans l’espace pour les mesures de données sur le climat.

Le projet a débuté le 1^er octobre 2011 pour une durée de 3 ans. Le LCM est impliqué dans le lot de tâches techniques n° 4 pour le développement de la liaison par fibre optique entre le monochromateur et le radiomètre à étalonner pour des mesures entre 200 nm et 2 450 nm.

Les différents faisceaux de fibres ont été définis suivant le cahier des charges fournit par le NPL dont les principales caractéristiques sont : un taux de transmission de 70 % au minimum, une couverture totale du spectre solaire (200 nm – 2 450 nm), une compatibilité avec l’environnement spatial et des pertes induites par le déplacement des faisceaux (déplacement de 30 cm) entre le radiomètre cryogénique (CSAR) et le radiomètre de mesure (PTR) inférieures à 0,05 %.

Le choix du type de fibre a été fait. Il y aura 2 types de faisceaux : UV/visible de 200 nm à 1 000 nm et visible/IR de 1 000 nm à 2 500 nm. Les premiers faisceaux ont été livrés et testés en 2013 : contrôle optique de l’état de surface des extrémités, vérification de l’arrangement des fibres à l’intérieur du faisceau et mesure de la transmission du faisceau de fibres, puis test de la stabilité mécanique des faisceaux de fibres.

En conclusion, les premiers faisceaux réalisés et testés en 2013 ne sont pas assez performants. La raison principale est le mauvais positionnement des fibres dans le faisceau. Ce mauvais positionnement induit une transmission optique trop faible. Une autre proposition a permis d’augmenter d’environ 25 % le nombre de fibres dans chaque faisceau et de modifier l’arrangement des fibres afin de minimiser les espaces vides. Les caractéristiques de transmission du faisceau de fibres répondent finalement au cahier des charges exigé pour ce projet européen. Le faisceau a donc été transmis au NPL en septembre 2014 pour une qualification plus complète après intégration dans le système de mesure radiométrique destiné aux mesures dans l’espace.

• Disposer de mesures traçables des rayonnements optiques réalisées vers la Terre depuis l’espace afin de donner confiance aux mesures réalisées et du crédit aux analyses des résultats obtenus ;
• Réaliser des mesures radiométriques dans l’espace avec des incertitudes aussi faibles que celles réalisées en laboratoire.

ETIENNE R. et DUBARD J., “Emrp-env04: traceable radiometry for remote measurement of climate parameters”, 16^e congrès international de métrologie, Paris, France, 7-10 octobre 2013, DOI: 10.1051/metrology/201314009.

Partenaires du JRP-ENV04 :

• NPL (United Kingdom),
• Aalto (Finland),
• INRIM (Italy),
• JRC (Commission européenne),
• LNE (France),
• Mikes (Finland),
• PTB (Germany),
• SFI Davos (Switzerland),
• BUW (Germany),
• DLR (Germany),
• FGI (Finland),
• FZJ (Germany).

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Les travaux sont répartis entre 11 partenaires et sont organisés en 4 lots de tâches techniques :

1. Réduire la chaîne de traçabilité des mesures d’éclairement spectrique pour le spectre solaire UV afin de réduire les incertitudes de mesure avec les spectroradiomètres ;
2. Améliorer les techniques de caractérisation du rayonnement solaire avec des spectroradiomètres à matrice ;
3. Améliorer le spectroradiomètre portable de référence UV « QASUME » ;
4. Étude de nouvelles technologies utilisables pour améliorer les incertitudes de mesure.

Le projet a débuté le 1^er août 2011 pour une durée de 3 ans. Le LCM est impliqué dans les lots 2 et 4 pour l’estimation des incertitudes des spectroradiomètres à matrice et le développement d’un spectroradiomètre à barrette de photodiodes optimisé pour la mesure du spectre entre 290 nm et 400 nm et avec une minimisation de la lumière parasite.

Les causes d’incertitudes sur les mesures réalisées avec des spectroradiomètres à matrice ont été inventoriées et présentées aux partenaires du projet en 2012. En 2013, un logiciel a été réalisé sous MATLAB pour évaluer les incertitudes de mesure du rayonnement solaire selon la méthode de Monte-Carlo et le guide d’utilisation a été rédigé. La donnée de sortie est la fonction de distribution de probabilité (Probability Distribution Function, PDF) de l’éclairement solaire à quelques longueurs d’onde à partir de laquelle on peut déterminer l’éclairement solaire et l’incertitude associée correspondant respectivement à la valeur moyenne et l’écart type de la distribution PDF.

Le développement d’un spectroradiomètre à barrette de photodiodes optimisé pour la mesure du spectre entre 290 nm et 400 nm et avec une minimisation de la lumière parasite s’effectue en collaboration avec Jobin Yvon. Le spectroradiomètre a été caractérisé concernant la lumière parasite et le caisson thermalisé a été testé du point de vue mécanique et thermique. Pour réduire le taux de lumière parasite le LCM propose de présélectionner des bandes spectrales à l’aide de filtres spécifiques. Les optiques d’entrée incluant les filtres et les obturateurs ont été réalisés. Le spectroradiomètre est de type VS140 de chez Jobin Yvon. Le principe du spectroradiomètre modifié est indiqué sur la figure 1.

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Différentes configurations de filtres (épaisseur et type de filtre) ont été caractérisées du point de vue de la transmission. Puis des mesures ont été faites pour évaluer l’influence de la lumière parasite sur l’ensemble du système modifié.

Site du projet:

http://projects.pmodwrc.ch/env03/

Amélioration de la fiabilité des mesures (traçabilité et incertitudes) du rayonnement UV dont les valeurs entrent dans de nombreux modèles de prédictions et des programmes de prévention (climat, environnement, santé).

DUBARD J. et  ETIENNE R., “Monte Carlo uncertainty evaluation of UV solar spectral irradiance measurements using array spectroradiometer”, 7^th Workshop on Ultraviolet radiation measurements (UVNET), Davos, Suisse, 27-28 août 2013.

DUBARD J., VALIN T., ETIENNE R. et EBRARD G., “EMRP-ENV03: Traceability for surface  spectral solar ultraviolet radiation”, 16^e Congrès International de Métrologie, Paris, France, 7-10 octobre 2013, DOI: 10.1051/METROLOGY/201318001.

Partenaires du JRP-ENV03 :

• SFI Davos (Switzerland),
• EJPD/METAS (Switzerland),
• PTB (Germany),
• VSL (Netherlands),
• CMI (Czech Republic),
• LNE (France),
• INRIM (Italy),
• Aalto (Finland),
• CMS (Austria),
• Kipp&Zonen (Netherlands),
• IMU (Austria).

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La détermination expérimentale de la puissance est basée sur des mesures de pression acoustique sur des microphones. La puissance acoustique est ensuite évaluée par calcul, sous diverses hypothèses et conditions imparfaitement respectées. L'objectif de ce projet est de développer et caractériser une source sonore étalon primaire puis de la disséminer via des étalons de transfert que deviendront les sources sonores de référence actuellement utilisées.

Source sonore étalon primaire

L’objectif de cette partie est la réalisation d’un étalon primaire du watt acoustique dans l’air. Celui-ci est basé sur un corps solide vibrant (piston) bafflé. La puissance sonore de ce dispositif peut être déterminée à partir de la vitesse de vibration de la surface du corps, mesurée par interférométrie laser, et de plusieurs autres grandeurs comme la pression statique et la température. Les différents candidats à devenir les sources primaires reposent sur deux techniques : un pot électrodynamique ou un « moteur » de haut-parleur. Le pot électrodynamique est une source de vibration couramment utilisée en laboratoire. Celui-ci pilote le mouvement d’un piston métallique. Ce dernier doit avoir autant que possible un mouvement d’ensemble et le moins possible de mouvements parasites, due à son manque de rigidité et à ses modes/fréquences propres en haute fréquence. L’autre méthode consiste à utiliser un « moteur » de haut-parleur qui pilote un piston plus léger. Le guidage du piston dans un mouvement unidirectionnel et libre est difficile à bien réaliser. Dans ce projet, des sources primaires ont été développées par le PTB, le SP, l’INRiM et le TUBITAK UME.

Diffusion de l’unité « watt acoustique aérien »

L'objectif de cette partie est de développer un système pour la diffusion de l’unité watt acoustique en utilisant des étalons de transfert appropriés. Celle-ci a permis d’examiner si les sources sonores de référence aérodynamiques existantes pouvaient servir d’étalon de transfert. La réponse a été positive à condition d’en connaitre la sensibilité aux conditions atmosphériques. L'incertitude de la puissance sonore émise par les étalons de transfert a été déterminée. L'objectif a été que cette incertitude soit seulement légèrement supérieure à l'incertitude de l’étalon primaire. Le LNE a développé un appareil de balayage (appelé « scanning apparatus ») permettant une mesure automatisée de la puissance acoustique obtenue en mesurant la pression acoustique sur une demi-sphère de 2 m de rayon centrée sur une source étalon qui affleure le sol.

Au LNE, contrairement à d’autres partenaires, un seul microphone est utilisé, déplacé sur chaque position par un dispositif automatique, et contrôlé par un logiciel qui gère à la fois l'appareil de balayage et l'acquisition de l'analyseur de signal acoustique. Un premier mouvement est fait le long d'un rail décrivant un arc vertical de 90°. Le deuxième mouvement consiste à déplacer cet arc autour d'un axe vertical pour couvrir toute la surface hémisphérique. Un troisième mouvement déplace le microphone sur le rayon de 1 cm pour évaluer l'intensité par deux étapes.

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Site internet du projet :

http://www.ptb.de/emrp/sib56-home.html

• Mise en œuvre d’une chaîne de traçabilité des mesures de puissances acoustique
• Rédaction de documents de référence pour l’étalonnage et la mesure de la puissance acoustique
• Transfert de connaissances via des projets de normes ISO

CELLARD P., ANDERSSON H., BREZAS S. et WITTSTOCK V., “Automatic sound field sampling mechanisms to disseminate the unit watt in airborne sound”, Proceedings of the INTER-NOISE 2016, 45th International Congress and Exposition on Noise Control Engineering,  Towards a Quieter Future, Hambourg, Allemagne, 21 – 24 août 2016, 6757-6761.

BREZAS S. , CELLARD P. , ANDERSSON H. , GUGLIELMONE C. et KIRBAS C., “Dissemination of the unit Watt in airborne sound: aerodynamic reference sound sources as transfer standards”,In: Proceedings of the INTER-NOISE 2016, 45th International Congress and Exposition on Noise Control Engineering,  Towards a Quieter Future, Hambourg, Allemagne, 21 – 24 août 2016,  6762-6770.

Laboratoires nationaux de métrologie :

• PTB (DE),
• INRIM (IT),
• SP (SE),
• TUBITAK (TK)

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L’impact acoustique des activités humaines courantes, tel que le transport, routier commence à être examiné sérieusement dans la gamme de fréquence des infrasons. Sur le plan physiologique, en dessous de 20 Hz, la sensibilité de l’oreille humaine décroît très rapidement à mesure que la fréquence diminue. Pour autant, il est avéré que l’oreille humaine est capable de percevoir les sons dès quelques Hz, si tant est que leur intensité soit suffisamment élevée. Bien qu’il n’y ait pas encore de preuves tangibles d’effets physiologiques ou psychologiques des infrasons, plusieurs troubles comme la fatigue, des symptômes dépressifs ou anxieux, de l’irritabilité, des maux de tête, des troubles de la vigilance ou de l’équilibre et des nausées ont été décrits. Certaines de ces réactions pourraient être dues à la mise en vibration de l’oreille interne mais aussi de certains organes digestifs, cardio-vasculaires, respiratoires ou bien des globes oculaires.

Le besoin métrologique dans ce domaine commence à être considéré sérieusement par les instances nationales et internationales. La mise en place d'un groupe de travail au sein du S30J de l'Afnor en 2009 ainsi que l'organisation d'une comparaison clé sur ce domaine par le BIPM (CCAUV-A-K2 publié en 2009) confirment l’importance croissante des infrasons. Néanmoins, malgré ces études des avancés aussi bien technique que théorique sont encore nécessaires pour arriver à une fiabilité des mesures acoustiques dans le domaine des infrasons.

Le LNE a entrepris la réalisation d’un pistonphone laser. Ce type d’instrument permet, en mesurant le mouvement d’un piston dans une cavité au moyen d’un laser, de déterminer la pression en connaissant simplement l’impédance acoustique de cette cavité. L’intérêt sera d’obtenir des niveaux plus élevés que par la méthode de la réciprocité et par conséquent un meilleur rapport signal/bruit. Le système sera basé sur le principe développé par le département métrologie des pressions statiques du LNE pour la réalisation du fluxmètre gazeux de référence.

• Meilleure fiabilité des mesures acoustiques dans le domaine des infrasons
• Ce projet permettra en particulier d’apporter la traçabilité nécessaire au raccordement des microbaromètres de la série MB2000 développés par le CEA et reconnus par la communauté scientifique pour leur robustesse et leur fiabilité

• CEA DAM,
• Université du Maine

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Le projet est structuré en trois lots de tâches, chacun couvrant un domaine d’observation différent : l’air, les océans et le sol. Les VCE considérées sont : la vapeur d'eau dans l'atmosphère, la température dans les océans, la salinité, la température de l’air, le niveau de précipitation, la mesure de l’albédo, la température de pergélisol et l'humidité du sol. Les laboratoires du réseau national de la métrologie française interviennent dans les travaux pour améliorer : la traçabilité de la mesure de certaines variables essentielles climatique océaniques (température, salinité), et les mesures d’humidité dans la haute atmosphère.

Mesures dans l’air

Conception et réalisation d’un dispositif expérimental pour étudier le facteur d’augmentation dans des conditions proches de celles rencontrées dans l’atmosphère et la haute atmosphère

Le facteur d’augmentation de la pression de vapeur saturante (noté f) intervient dans plusieurs modélisations utilisées pour les mesures d’humidité. La plupart des données expérimentales permettant de le calculer, datent au mieux des années 1970, et concernent des plages de température et de pression trop limitées pour les applications en climatologie.

Le LNE-CETIAT a développé un banc permettant de faire des mesures du facteur d’augmentation. Le principe consiste à générer un air humide dont le rapport de mélange est connu (à partir d’air sec et d’eau pure), et à injecter cet air humide dans une enceinte dont la pression est contrôlée et la température de rosée/gelée mesurée. La connaissance de ces différentes grandeurs permet de calculer le facteur d’augmentation.

Le banc  développé  permet  de  générer  un air humide sur une gamme de température allant de –60 °C à –30 °C et une gamme de pression allant de 40 kPa à 100 kPa. Les mesures du facteur d’augmentation ont été présentées au Congrès international de métrologie de 2017 et sont soumises pour publication

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Développement d’un dispositif de génération d’humidité permettant le changement rapide d’humidité dans des conditions proches de celles rencontrées dans la basse atmosphère

Les travaux visent à mieux connaître la réponse des hygromètres dans les conditions d’utilisation, il s’agit d’un besoin très vaste en hygrométrie qui n’est pas seulement limité à la climatologie et concerne aussi les mesures industrielles. Le CETIAT a mis en œuvre un banc permettant de générer des échelons d’humidité croissants ou décroissants pour différentes températures. Le principe de fonctionnement du banc consiste à exposer l’instrument de mesure en essai à un débit d’air humide et un débit d’air sec. L’échelon d’humidité est généré en faisant varier brusquement la valeur du débit d’air humide et la valeur du débit d’air sec tout en maintenant la valeur de la somme des débits constante. L’hygromètre dont on veut déterminer les performances est placé dans une chambre d’essai qui est elle-même placée dans une enceinte thermostatée pour imposer la température de l’essai. Le CETIAT a utilisé un hygromètre développé par la PTB (DE) utilisant des techniques spectroscopiques fournissant une référence pour la détermination du temps de réponse des instruments en essais.

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Développement de capteurs d'humidité traçables basés sur des résonateurs microondes avec un temps de réponse faible et de taille réduite

Dans le cadre d’un précédent projet européen, le LNE-LCM/Cnam a conçu un nouveau type d’hygromètre basé sur deux résonateurs micro-ondes. Le principe de cet hygromètre consiste à mesurer les fréquences de résonance de deux résonateurs identiques, l’un remplit de gaz sec et l’autre du même gaz humide. L’humidité est déduite de la différence entre les deux fréquences de résonance.

Un premier prototype d’hygromètre micro-onde (résonateurs de 200 cm³) a été développé. Il fonctionne entre –50 °C et 10 °C (température du point de gel) et de –20 °C à 20 °C (température du point de rosée). La plage de mesure s’étend de 3 ppmv (parties par million en volume) à 105 ppmv et l'incertitude de mesure est proche de 1 ppmv.

Cependant, le temps de mesure est d'environ 100 secondes, ce qui est considéré comme trop long. Un second prototype a été réalisé (volume 30 cm³) fonctionnant de –50 °C à 10° C (température du point de gel) et de –20 °C à 20 °C (température du point de rosée). La plage de mesure s’étend de 3 ppmv à 105 ppmv, l'incertitude est proche de 1 ppmv. Les deux hygromètres à micro-ondes ont été comparés avec un hygromètre à miroir refroidi étalonné par le CETIAT. Les résultats ont montré qu'il pourrait s'agir d'un étalon alternatif pour les mesures d'humidité.

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Mesures dans les océans

Caractérisation de thermomètres océanographiques

Le LNE-LCM/Cnam a modifié un thermomètre à gaz acoustique et le calorimètre associé, afin de pouvoir y insérer et étalonner les thermomètres utilisés pour les mesures au fond des océans de -5 °C à 35 °C, avec une incertitude d'étalonnage inférieure à 0,5 mK. Auparavant, les meilleures incertitudes d'étalonnage réalisables avec thermomètres océaniques de haute qualité étaient proches de 2 mK. Elles pourraient être encore réduites de manière à atteindre l'incertitude globale de 2 mK sur les mesures de température océanique en profondeur, ce qui est la valeur requise par le World Ocean Circulation Experiment (WOCE) Hydrographic Program9. Pour aller plus loin vers cet objectif, il restera cependant à évaluer l'adéquation des thermomètres pour les mesures en profondeurs dans les océans avec une telle incertitude.

Caractérisation métrologique de salinomètres de nouvelle génération

Dans le cadre du JRP ENV58 MeteoMet2, le LNE-LCM/Cnam s’est impliqué dans la caractérisation métrologique d’un nouveau type de salinomètre, nommé NOSS, basé sur la mesure de l’indice de réfraction de l’eau, développé par un consortium de recherche français (Télécom Bretagne, Ifremer, SHOM, NKE Instrumentation), dont la commercialisation est confiée à l’entreprise française NKE Instrumentation. Le point innovant de ce capteur est sa capacité de mesurer in-situ la masse volumique de l’eau de mer, alors que les salinomètres actuels utilisés in-situ ne mesurent que la conductivité électrique de l’eau, la reliant à la masse volumique par des relations empiriques et dont la traçabilité au SI ne peut être établie. Cet instrument a été caractérisé métrologiquement afin d’aider à son déploiement commercial.

Site du projet :

http://www.meteomet.org/

• Impact général du projet : améliorer la qualité des données climatiques.
• Impacts par grandeurs : maîtrise de l’humidité en régime transitoire, maîtrise de la mesure de température à haute pression, maîtrise de la mesure de salinité, etc.

SPARASCI F., JOUIN D., DEUZÉ T., BORDEREAU J., COEUR-JOLY G., SOURGEN D. et HERTZOG A., “Submillimetre thermistors for balloon-borne applications up to lower stratosphere: preliminary characterization with 0.02K uncertainty”, Meteorol. Appl. , 2015, DOI: 10.1002/met.1504

MERLONE A. et al., “The MeteoMet project – metrology for meteorology: challenges and results”, Meteorol. Appl., 22, S1, 2015, 820-829, DOI: 10.1002/met.1528

MERLONE A. et al., “The MeteoMet2 project – Highlights and results”, Meas. Sci. Technol., 2017, DOI: 10.1088/1361-6501/aa99fc

SPARASCI F., “Calorimetric techniques for the calibration of environmental sensors: application to thermistors and salinometers”, Arctic Metrology Workshop, 23 Avril 2015, Turin, Italie

CAPELLA A., PITRE L., SPARASCI F. et GEORGIN E., “Differential Microwave Hygrometer with Quasi-Spherical Resonators for Accurate Humidity Measurements on a Wide Range, 9th Symposium on thermophysical properties”, Boulder USA, juin 2015

KLEIN A. et al., “Detection techniques for online and on-site monitoring of essential climate variables in the upper atmosphere”, International Workshop on Metrology for Meteorology and Climate MMC 2014, Brdo, Slovenia, septembre 2014

CAPELLA A. et al., “Differential quasi-spherical resonant cavity hygrometer for atmospheric moisture”, International Workshop on Metrology for Meteorology and Climate MMC 2014, Brdo, Slovenia, septembre 2014

GARCÍA IZQUIERDO C. et al., “Metrology for terrestrial and surface ECVs involved in METEOMET2”, International Workshop on Metrology for Meteorology and Climate MMC 2014, Brdo, Slovenia, septembre 2014

SPARASCI F. et al., “Novel methods, instruments and measurements for climate parameters: achievements in JRP METEOMET”, International Workshop on Metrology for Meteorology and Climate MMC 2014, Brdo, Slovenia, septembre 2014

SPARASCI F., “Novel environmental sensors: improving measurements in the arctic”, Arctic Circle Assembly, 15-18 Octobre 2015, Reykjavik, Islande

NICOLA CHIODO, ANDREA CAPPELLA, LAURENT PITRE, FERNANDO SPARASCI, LARA RISEGARI, MARK D.  PLIMMER et ERIC GEORGIN, “Differential microwaves hygrometer for moisture measurements on a wide water vapor concentration range” Tempmeko2016,  Zakopane, Poland, 26 juin - 1er juillet 2016

GARCÍA IZQUIERDO C. et al., “Metrology for terrestrial and surface ECVs”, Tempmeko 2016, Zakopane, Poland, 26 june – 1 july 2016

CHIODO N. et al., "Differential microwaves hygrometer for moisture measurements on a wide water vapor concentration range”, MMC-2016, Madrid, Espagne, 26-29 septembre 2016

GEORGIN E., « Projet : JRP ENV 58 METEOMET, Métrologie & Météorologie : la mesure au service de la prévision », Paris, France, 6 décembre 2016

SPARASCI F., “MeteoMet: Metrology for Essential Climate Variables”, 1st EU Environmental Research Infrastructures – Industry Joint Innovation Partnering Forum, 18-19 May 2017, Grenoble

SPARASCI F., P. Alberto Giuliano Albo, Marc Le Menn, Damien Malardé, “Development of calibration facilities for oceanographic temperature and salinity sensors”, Meteomet week, Turin, Italie, 11- 15 septembre 2017.

CHIODO N. et al., “Differential microwave hygrometer for high precision measurements over a wide humidity range: recent progress”, Meteomet week, Turin, Italie, 11- 15 septembre 2017.

SPARASCI F., co-animation de la table ronde “Métrologie”, Atelier Expérimentation et Instrumentation AEI 2017, Brest, France, 17-19 Octobre 2017

• INRiM (IT),
• BEV/PTP (AT),
• CEM (SP), CETIAT (FR),
• CMI (CZ), CNAM (FR),
• CSIC (SP), DTI (DK),
• IMBiH (BA),
• MIKES (FI),
• NPL (UK),
• PTB (DE),
• SMD (BE),
• TUBITAK (TK),
• UL (SI),
• VSL (NL),
• SHOM (FR)

On estime que l'atténuation du changement climatique coûtera à l'UE 4 % du PIB d'ici 2100.

Des instruments sensibles sont utilisés pour surveiller la tendance des concentrations de gaz à effet de serre et pour identifier les sources d'émissions halogénées. Ces instruments s'appuient sur des normes d'étalonnage de gaz extrêmement faibles et très spécifiques pour confirmer leurs performances. L'amélioration de la précision de la surveillance atmosphérique et l'identification des sources d'émission de gaz reposent sur la production de normes de gaz de référence ou de mélanges complexes de gaz halogénés ayant des liens solides avec les unités SI.

Ce projet a permis de développer des normes de bouteilles de gaz traçables SI et des normes de gaz de référence au point d'utilisation, notamment des normes de CO₂ correspondant isotopiquement au rapport ¹³CO₂/¹²CO₂ dans l'atmosphère.
Ce projet a également permis de développer avec succès une gamme de normes de gaz de référence traçables et de transfert optique pour l’amélioration de l’étalonnage des instruments de surveillance des gaz à effet de serre. Les normes récemment développées, par exemple, ont considérablement amélioré la précision des mesures de CO₂ atmosphérique effectuées par les réseaux nationaux et internationaux de surveillance des gaz à effet de serre du Royaume-Uni. Des normes de gaz de référence à l’état de traces contenant des mélanges complexes de gaz fluorés ont été utilisées dans les tests de systèmes sur le site de surveillance EMPA de Dübendorf (Suisse), introduisant une traçabilité robuste au SI pour leurs mesures.

Aide aux réseaux de surveillance du climat pour atteindre les objectifs de précision de mesure fixés par l’OMM et soutenir la mise en œuvre des réglementations et directives sur les émissions industrielles, notamment la législation de l’UE sur les gaz fluorés et la directive sur la qualité de l’air (2008/50/CE)

• NPL (Royaume-Uni)
• PTB (Allemagne)
• DFM (Danemark)
• METAS (Suisse)
• MIKES (Finlande)
• TÜBITAK (Turquie)
• VSL (Pays-Bas)
• CMI (République Tchèque)
• MIKES-FMI (Finlande)

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Très peu d’études se sont intéressées à ce jour à la question de la présence des NPs manufacturées dans les eaux naturelles, du fait de l’absence de méthodes analytiques adaptées au large spectre de NPs qui peuvent être rencontrées, aux faibles concentrations attendues dans les milieux aquatiques et à la complexité des matrices environnementales.

La mise en œuvre, avant la mesure, de la technique de fractionnement par couplage flux-force (FFF ou A4F) s’avère pertinente comme méthode séparative dans le cas de matrices complexes (environnementale, agroalimentaire, cosmétique, …). Via son couplage à différents types de détecteurs (UV, fluorescence, spectrométrie de masse à plasma induit (ICP-MS), diffusion de lumière statique MALS ou dynamique DLS), cette technique permet par ailleurs d’accéder de façon directe à de nombreuses propriétés des nano-objets (concentration de particule en nombre, taille, distribution en taille, forme, état d’agrégation et/ou d’agglomération, composition élémentaire) qu’il est important de pouvoir caractériser dans un cadre réglementaire ou pour évaluer leur interaction avec l’environnement ou un organisme vivant. Les fractions séparées de l'échantillon peuvent par ailleurs être collectées et analysées « off-line » par des techniques complémentaires, telles que la microscopie électronique par balayage (MEB), en transmission (MET) ou la microscopie à force atomique (AFM), qui apportent de nouvelles informations, notamment sur la forme et la taille des particules.

La spectrométrie de masse à source à plasma induit, utilisée en mode comptage individuel (spICP-MS), est quant à elle une technique en développement ayant le potentiel d'apporter des réponses en terme de composition, de quantité et de distribution en taille des nanoparticules métalliques en suspension dans des matrices aqueuses pour des faibles concentrations pertinentes du point du vue environnemental. Dans les deux cas cependant, il reste encore beaucoup de développements à réaliser du point de vue de la métrologie pour fiabiliser les résultats qui peuvent être obtenus.

Ce projet vise à développer au LNE les compétences techniques nécessaires à la mise en route de nouveaux moyens analytiques de caractérisation des NPs, basés sur les deux techniques A4F-UV-MALS-ICP-MS et spICP-MS, afin d’en évaluer les performances métrologiques et les possibilités de couplage. Le projet se focalisera sur les NPs manufacturées de forme approximativement sphérique (SiO₂,TiO₂, Ag & CeO₂) et exploitera deux axes de recherche :

• la caractérisation des NPs manufacturées en réponse aux besoins de fiabilité appelés par le décret français n° 2012-232 du 17 février 2012 (déclaration annuelle obligatoire des substances à l’état nanoparticulaire imposée aux acteurs industriels et académiques français) et par la recommandation UE du 18 octobre 2011 (définition d’un nanomatériau) ;
• la caractérisation des NPs manufacturées dans des milieux environnementaux afin de mieux comprendre leur devenir dans l'environnement, ainsi que leur rôle dans le transport des polluants.

Le développement des compétences sur les deux techniques A4F-UV-MALS-ICP-MS et spICP-MS nécessitera initialement l'étude des NPs dans des systèmes simples et/ou modèles, avant de passer à des milieux plus complexes. Des compétences seront par ailleurs à développer dans le cadre du premier axe au niveau de l'étape de préparation des échantillons et de la caractérisation en taille.

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• Renforcement du positionnement LNE dans le domaine émergent des nanosciences, notamment par la mise en œuvre de techniques analytiques en plein essor et actuellement encore peu répandues (A4F et spICP-MS)
• Evaluation des performances métrologiques des techniques A4F et spICP-MS pour la caractérisation des NPs en milieux liquides
• Fiabilisation de l’étape pré-analytique en vue de la déclaration obligatoire des substances à l’état nanoparticulaire (décret n° 2012-232 du 17 février 2012)

• IPGP

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D’après les chiffres issus de la Convention de Stockholm (2012), la production mondiale de PBDE a été estimée à plus de 1,3 millions de tonnes sur la période 1970-2005. Ces substances, détectées dans l’environnement dès la fin des années 70, présentent par ailleurs un caractère lipophile (6,64<log Kow<9,97) et une faible dégradabilité qui font d’eux des Polluants Organiques Persistants (POP), toxiques pour l’homme et l’environnement.

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Différents textes ont réglementé l’emploi des PBDE au cours des quinze dernières années (Directive 2003/11/CE, Directive 2002/95/CE dite «RoHS», …). Plus récemment, l’OBDE et le PeBDE ont rejoint la liste des substances chimiques interdites par la Convention de Stockholm (mai 2009). Malgré ces interdictions, les PBDE sont aujourd’hui encore rejetés dans l’environnement lors de l’utilisation et de l’élimination des articles en contenant. Ils sont notamment présents dans l’air, à des concentrations qui varient selon les pays de 0,015 à 103,49 pg/m³, et se retrouvent davantage dans les matières en suspension (MES) et les sédiments (0,09-1163 ng/g de matière sèche) que dans l’eau (0,09-3620 pg/L) du fait de leur faible solubilité. De nombreuses études ont également mis en évidence la présence de PBDE dans la biote et chez les mammifères terrestres avec une contamination due à la fois à l’exposition directe et à la bioaccumulation. L’évaluation de la concentration de ces substances chimiques dans l’environnement s’avère par conséquent nécessaire. Le PeBDE est d’ailleurs classé en tant que substance dangereuse prioritaire et les PBDE intégrés à l’annexe X de la directive 2000/60/CE, communément appelée Directive Cadre sur l’Eau (DCE). Au travers de la Directive QA/QC (2008/105/CE), la DCE a fixé des Normes de Qualité Environnementale (NQE) à ne pas dépasser, dans les eaux de surface pour les congénères constituant le PeBDE (BDE-28, BDE-47, BDE-99, BDE-100, BDE-153, et BDE-154) et prévoit que l’analyse porte sur l’eau totale, c’est-à-dire la fraction dissoute (fraction liquide pouvant contenir jusqu’à 0,5 g/L de MES ou fraction liquide après filtration) et la fraction particulaire (fraction solide après filtration). A ces critères s’ajoutent ceux données par la Directive QA/QC, qui fixe les exigences suivantes : 

• les limites de quantification (LOQ) doivent être inférieures à 30 % de la valeur des NQE fixées,
• l'incertitude de mesure à la NQE doit être inférieure ou égale à 50 %.

Cela conduit à des concentrations très faibles à atteindre (< 0,025 ng/L) pour chacun des six congénères réglementés. Compte tenu notamment de la faible solubilité de ces produits, qui rend difficile leur extraction des matrices complexes, les méthodes d’analyse existantes ne satisfont pas les critères de performances analytiques requis dans le cadre de ces deux Directives. Il est donc apparu nécessaire de développer une méthode primaire de référence pour l’analyse simultanée de plusieurs PBDE dans différentes matrices environnementales (eaux et sédiments). Aux PBDE réglementés ont été ajoutés les BDE-183 et -209.

Deux méthodes d’analyse métrologiquement traçables à la mole ont été développées et optimisées :

• une méthode par GC/MS permettant l’analyse simultanée des BDE-28, -47, -100, -99, -154 et -153 à des teneurs allant de 2 ng/ml à 250 ng/ml suivant le congénère,
• une méthode par GC/MS-MS permettant l’analyse simultanée des BDE-28, -47, -100, -99, -154, -153, -183 et -209 à des teneur allant de 0,25 ng/ml à 250 ng/ml.

Il est apparu que seule la méthode impliquant la GC/MS-MS est en mesure de répondre aux exigences fixées par la DCE en terme de LOQ à atteindre. Les performances de cette méthode permettent par ailleurs l’analyse des BDE-183 et -209.

Dans le cas des matrices aqueuses, l’extraction sur phase solide (SPE) connue pour être plus rapide et plus faible consommatrice de solvants que l’extraction liquide-liquide (ELL) a été testée. Cela n’a cependant pas permis d’obtenir des taux de recouvrements suffisants (entre 20 et 78 % selon la composition de la phase des cartouches et les BDE considérés) et le choix final pour le développement de la méthode d’extraction sur des eaux synthétiques chargées en acides humiques (Carbone Organique Dissous = 5 et 7 mg/L) s’est porté sur la technique ELL. Cette méthode a pu être validée par une approche interne, ainsi que via une inter-comparaison impliquant d’autres laboratoires de métrologie européens (cf. Projet ENV08).

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Les résultats obtenus montrent que la méthode développée répond aux exigences de la DCE en terme de concentrations à atteindre et d’incertitudes de mesures pour des concentrations à la NQE. Les BDE-183 et –209 peuvent également être déterminés à de faibles valeurs et incertitudes de mesures.

Dans le cas des matrices solides (sédiments), une méthode d’extraction par PLE (méthode accélérée par solvant chaud sous pression) a été développée, optimisée et validée au moyen des Matériaux de Référence Certifiés (MRC) à matrice disponibles. Les résultats obtenus sont statistiquement conformes aux valeurs attendues pour le MRC, seul le BDE-28 ne pouvant pas être caractérisé, les  MRC disponibles ne contenant pas ce congénère.

Deux méthodes de référence primaires, justes et traçables, ont pu être développées et validées pour le dosage d’une large sélection de PBDE réglementés dans les eaux et les sédiments. Ces méthodes répondent aux critères données par la DCE, et la traçabilité métrologique à la mole, unité du SI pour la quantité de matière, est assurée par la mise en œuvre de la Dilution Isotopique. Ces méthodes seront mises à profit pour effectuer des tests de stabilité sur des matériaux de référence et pour fournir des valeurs de référence au cours d’essais d’aptitudes à destination des laboratoires de terrain (notamment dans le cadre du réseau AQUAREF), contribuant ainsi à une amélioration de la qualité des données de surveillance de la qualité de l’eau.

• Dépôt de CMC (Meilleures possibilités d’étalonnages et de mesurages) auprès du BIPM
• Fourniture de valeurs de référence dans le cadre de la réalisation d’essais d’aptitudes destinés aux laboratoires de surveillance de la qualité de l’eau / Fiabilisation des mesures réalisées dans le cadre du réseau AQUAREF

CABILLIC J., PHILIPP R., SCHIEL D., EMTEBORG H., GOENANA-INFANTE H. et LALERE B., “Joint Research Project ENV08 “Traceable measurements for monitoring critical pollutants under the European Water Framework Directive (WFD) 2000/60/EC”, 15^e Congrès international de métrologie, Paris, France, 3-6 octobre 2011.

LALERE B., LARDY-FONTAN S., CABILLIC J., LEDIOURON V. et  PEIGNAUX M., « Méthodologie et métrologie pour l’acquisition de mesures quantitatives fiables à l’état traces dans l’environnement », Colloque du DIM Analytics, Paris, France, 18–19 avril 2013.

CABILLIC J., HEIN S., LEHNIK-HABRINK P., CALABRETTA E., POTALIVO M., BELLI M., BILSEL M., GOKÇEN T., CEYHAN GOREN A., CRINA I., BUZUIANU M., LALERE B. et PHILIPP R., “Joint Research Project ENV08 : Traceable measurements for monitoring critical pollutants under the European Water Framework Directive (WFD) 2000/60/EC”, 16^e Congrès International de Métrologie, Paris, France, 7–10 octobre 2013.