Agnès Borbon

Intermediate-Volatility Organic Compounds: A Large Source of Secondary Organic Aerosol

Secondary organic aerosol (SOA) is a major component of atmospheric fine particle mass. Intermediate-volatility organic compounds (IVOCs) have been proposed to be an important source of SOA. We present a comprehensive analysis of atmospheric IVOC concentrations and their SOA production using measurements made in Pasadena, California during the California at the Nexus of Air Quality and Climate Change (CalNex) study. The campaign-average concentration of primary IVOCs was 6.3 ± 1.9 μg m(-3) (average ± standard deviation), which is comparable to the concentration of organic aerosol but only 7.4 ± 1.2% of the concentration of speciated volatile organic compounds. Only 8.6 ± 2.2% of the mass of the primary IVOCs was speciated. Almost no weekend/weekday variation in the ambient concentration of both speciated and total primary IVOCs was observed, suggesting that petroleum-related sources other than on-road diesel vehicles contribute substantially to the IVOC emissions. Primary IVOCs are estimated to produce about 30% of newly formed SOA in the afternoon during CalNex, about 5 times that from single-ring aromatics. The importance of IVOCs in SOA formation is expected to be similar in many urban environments.

Characterization of a Newly Developed Aircraft-Based Laser Ablation Aerosol Mass Spectrometer (ALABAMA) and First Field Deployment in Urban Pollution Plumes over Paris During MEGAPOLI 2009

We present here the development and first field deployment of a novel Aircraft-based Laser ABlation Aerosol MAss spectrometer (ALABAMA), which is capable of measuring the chemical composition and size of individual ambient aerosol particles in the size range between 150 and 900 nm. The instrument uses a continuous wave 532 nm laser to size and detect the particles, a pulsed 266 nm laser to ablate and ionize the particles, and a bipolar, Z-shaped time-of-flight mass spectrometer to detect positive and negative ions. The ALABAMA fits into a 19”-aircraft rack of 150 cm height and has a total weight of 140 kg, thus currently being one of the smallest and lightest-weight instruments of its type. We present a detailed characterization of ALABAMA with respect to particle beam width, detection and ablation efficiency, and example mass spectra of different particle types. The first aircraft-based field mission was performed within the MEGAPOLI summer campaign in July 2009 around Paris, France, onboard an ATR42 aircraft. During 11 research flights, corresponding to a total measuring time of approximately 44 hours, ALABAMA measured 6502 single particle mass spectra. The mass spectra were classified into eight particle classes using distinctive markers for each particle type. The most abundant particle types contained organic and secondary inorganic compounds. The results further show that differences in the abundance of observed particle types between different air masses are very pronounced when comparing air masses arriving from the greater Paris area with air masses arriving from other directions.

Laboratory Studies on Secondary Organic Aerosol Formation from Crude Oil Vapors

Airborne measurements of aerosol composition and gas phase compounds over the Deepwater Horizon (DWH) oil spill in the Gulf of Mexico in June 2010 indicated the presence of high concentrations of secondary organic aerosol (SOA) formed from organic compounds of intermediate volatility. In this work, we investigated SOA formation from South Louisiana crude oil vapors reacting with OH in a Potential Aerosol Mass flow reactor. We use the dependence of evaporation time on the saturation concentration (C*) of the SOA precursors to separate the contribution of species of different C* to total SOA formation. This study shows consistent results with those at the DWH oil spill: (1) organic compounds of intermediate volatility with C* = 10(5)-10(6) μg m(-3) contribute the large majority of SOA mass formed, and have much larger SOA yields (0.37 for C* = 10(5) and 0.21 for C* = 10(6) μg m(-3)) than more volatile compounds with C*≥10(7) μg m(-3), (2) the mass spectral signature of SOA formed from oxidation of the less volatile compounds in the reactor shows good agreement with that of SOA formed at DWH oil spill. These results also support the use of flow reactors simulating atmospheric SOA formation and aging.

Composition and Source Apportionment of Organic Aerosol in Beirut, Lebanon, During Winter 2012

Fine organic aerosols were collected at a semi-urban site in Beirut, Lebanon, from 28 January to 12 February 2012 as part of the Emission and Chemistry of Organic Carbon in East Mediterranean-Beirut (ECOCEM-Beirut). A total of 20 quartz filter samples were collected on a 12 h basis using a high-volume sampler and were analyzed using a GC/MS technique. Levoglucosan was the major most abundant single component with an average value of 306 ng.m−3, followed by saturated and unsaturated carboxylic acids and sugars with average values of 234 and 118 ng.m−3, respectively. Reported values for other carboxylic acids, polycyclic aromatic hydrocarbons, and biogenic secondary organic aerosols (BSOA) were 87, 33 and 21 ng.m−3, respectively. Compared to a similar field campaign conducted in summer 2011, levoglucosan concentrations were lower in summer by a factor of 6, due to the use of wood burning for residential heating in winter. Concentrations of saturated and unsaturated carboxylic acids, other carboxylic acids, and BSOA were higher in summer by a factor of 3, 2, and 7, respectively. Higher concentrations observed for BSOA and other dicarboxylic acids during summer are due to higher biogenic emissions and greater photochemical activity in summer. Copyright 2013 American Association for Aerosol Research

NitroMAC: An instrument for the measurement of HONO and intercomparison with a long-path absorption photometer

NitroMAC (French acronym for continuous atmospheric measurements of nitrogenous compounds) is an instrument which has been developed for the semi-continuous measurement of atmospheric nitrous acid (HONO). This instrument relies on wet chemical sampling and detection using high performance liquid chromatography (HPLC)-visible absorption at 540 nm. Sampling proceeds by dissolution of gaseous HONO in a phosphate buffer solution followed by derivatization with sulfanilamide/N-(1-naphthyl)-ethylenediamine. The performance of this instrument was found to be as follows: a detection limit of around 3 ppt with measurement uncertainty of 10% over an analysis time of 10 min. Intercomparison was made between the instrument and a long-path absorption photometer (LOPAP) during two experiments in different environments. First, air was sampled in a smog chamber with concentrations up to 18 ppb of nitrous acid. NitroMAC and LOPAP measurements showed very good agreement. Then, in a second experiment, ambient air with HONO concentrations below 250 ppt was sampled. While NitroMAC showed its capability of measuring HONO in moderate and highly polluted environments, the intercomparison results in ambient air highlighted that corrections must be made for minor interferences when low concentrations are measured.

Quantitative cancer risk assessment and local mortality burden for ambient air pollution in an eastern Mediterranean City

Health risks posed by ambient air pollutants to the urban Lebanese population have not been well characterized. The aim of this study is to assess cancer risk and mortality burden of non-methane hydrocarbons (NMHCs) and particulates (PM) based on two field-sampling campaigns conducted during summer and winter seasons in Beirut. Seventy NMHCs were analyzed by TD-GC-FID. PM2.5 elemental carbon (EC) components were examined using a Lab OC-EC aerosol Analyzer, and polycyclic aromatic hydrocarbons were analyzed by GC-MS. The US EPA fraction-based approach was used to assess non-cancer hazard and cancer risk for the hydrocarbon mixture, and the UK Committee on Medical Effects of Air Pollutants (COMEAP) guidelines were followed to determine the PM2.5 attributable mortality burden. The average cumulative cancer risk exceeded the US EPA acceptable level (10−6) by 40-fold in the summer and 30-fold in the winter. Benzene was found to be the highest contributor to cancer risk (39–43%), followed by 1,3-butadiene (25–29%), both originating from traffic gasoline evaporation and combustion. The EC attributable average mortality fraction was 7.8–10%, while the average attributable number of deaths (AD) and years of life lost (YLL) were found to be 257–327 and 3086–3923, respectively. Our findings provide a baseline for future air monitoring programs, and for interventions aiming at reducing cancer risk in this population.

Is Traffic Still an Important Emitter of Monoaromatic Organic Compounds in European Urban Areas

Trends of long-term observations and emission inventories suggest that traffic emissions will no longer dominate the concentrations of monoaromatic compounds (i.e., TEX - toluene, xylenes, and ethylbenzene) in European urban areas. But the split limit between traffic and other emission sector contributions such as solvent use remains tenuous. Here long-term observations of an extensive set of hydrocarbons, including TEX, at traffic and urban background sites in London, Paris and Strasbourg were combined to estimate the relative importance of traffic emissions on TEX in every city. When analyzing the urban enhancement emission ratios of TEX-to-benzene on a seasonal basis, two potential source signatures other than traffic could be differentiated in all cities (1) summertime evaporation from fuel and/or solvent and (2) wintertime domestic heating. However, traffic emissions still unambiguously dominate the concentration levels of TEX in every city despite the reduction of their emissions at exhaust pipe over the last two decades. Traffic explains between 60% and 96% (at ±20%) of TEX levels while it is less clear for xylenes at some locations. Our results provide a basis to evaluate regional emission inventories. The method is applicable at any urban area where speciated hydrocarbon monitoring is available.

Influence of local production and vertical transport on the organic aerosol budget over Paris

We performed a case study of the organic aerosol (OA) budget during the MEGAPOLI campaign during summer 2009 in Paris. We combined aerosol mass spectrometer, gas-phase chemistry and atmospheric boundary layer (ABL) data, and applied the MXL/MESSy column model. We find that during daytime, vertical mixing due to ABL growth has opposing effects on secondary organic aerosol (SOA) and primary organic aerosol (POA) concentrations. POA concentrations are mainly governed by dilution due to boundary layer expansion and transport of POA-depleted air from aloft, while SOA concentrations are enhanced by entrainment of SOA-rich air from the residual layer (RL). Further, local emissions and photochemical production control the diurnal cycle of SOA. SOA from intermediate volatility organic compounds (fSOA-iv) constitutes about half of the locally formed SOA mass. Other processes that previously have been shown to influence the urban OA budget, such as aging of semi-volatile and intermediate volatility organic compounds (S/IVOC), dry deposition of S/IVOCs and IVOC emissions, are found to have minor influences on OA. Our model results show that the modern carbon content of the OA is driven by vertical and long-range transport, with a minor contribution from local cooking emissions. SOA from regional sources and resulting from aging and long-lived precursors can lead to high SOA concentrations above the ABL, which can strongly influence ground-based observations through downward transport. Sensitivity analysis shows that modeled SOA concentrations in the ABL are equally sensitive to ABL dynamics as to SOA concentrations transported from the RL.

A Modelling Perspective of the Summer 2013 and 2014 ChArMEx/SAFMED Chemistry Intensive Campaigns: Origin of Photo-Oxidant and Aerosol Formation over the Western Mediterranean

During summers 2013 and 2014, two three weeks intensive campaign took place over the western Mediterranean basin in order to investigate photo-oxidant and aerosol sources over the region. Within the frame of the MISTRALS/ChArMEx (Chemistry-Aerosol Mediterranean Experiment) program and the ANR/SAFMED (Secondary Aerosol Formation in the MEDiterranean) project, this campaign included an extensive experimental set-up based on ground-based, balloon-borne, aircraft and satellite measurements. In this paper, a modeling perspective of the campaign is given, based on simulations with the regional chemistry-transport model, CHIMERE, in a configuration shaped for the Mediterranean region. Major sources of photo-oxidants, and aerosols are addressed: long range transport from continental Europe, pollution build-up from shipping emissions, marine emissions, organic aerosol formation from biogenic and anthropogenic VOC emissions, dust emissions.

Safire: des avions au service de la recherche en environnement

SAFIRE: aircraft for environmental research With its Safire fleet, France manages a public research infrastructure that supplies the scientific community with three aircraft for altitude measurements. A wide variety of instruments can be installed on the aircraft, either inside the cabin or on the fuselage or under the wings, according to the physico-chemical parameters of the atmosphere or the Earth’s surface to be investigated.After a review of the facilities, the organization of SAFIRE and the management of experimental campaigns, we give an introduction to airborne operations, instrumentation and data processing. Finally two examples of experimental campaigns are described. L e Service des avions français instrumentés pour la recherche en environnement (Safire) est une unité mixte de service du CNRS, de Météo-France et du Cnes : chercheurs et ingénieurs en sont les usagers pour mener à bien les expériences nécessitant des mesures aéroportées in situ ou par télédétection. En France, plusieurs dizaines de laboratoires sont concernés par l’expérimentation scientif ique aéroportée1. Nombre d’entre eux se reposent entièrement sur Safire pour les vols comme pour le processus d’installation instrumentale. Mais certains ont acheté ou conçu et développé en interne leurs propres instruments pour répondre à des besoins spécif iques. Ils ont ensuite recours à des prestataires, privés ou publics, dont Safire. Les principaux thèmes des expérimentations portent sur l’observation atmosphérique, océanographique et des surfaces continentales, la recherche et le développement aéronautique et le soutien aux missions spatiales. De fait, Saf ire occupe une place particulière dans le paysage de la recherche aéroportée, avec ses trois avions ainsi qu’une large gamme d’instruments scientif iques. Cette infrastructure de recherche publique française est de portée internationale. Tout chercheur français ayant un projet de recherche peut mettre à contribution Safire pour le réaliser sous réserve de le faire valider par le Comité scientifique et technique avions (CSTA) et de rassembler le financement nécessaire pour en couvrir les coûts. Une unité mixte de service En tant qu’unité mixte de services, Saf ire est gouverné par un comité de direction constitué de représentants du Cnes, de Météo-France et du CNRS (plus particulièrement de l’Insu, Institut national de sciences de l’Univers). Le comité prend l’avis de la communauté des chercheurs au travers du CSTA, composé d’experts et de représentants des principaux laboratoires utilisateurs de Safire. Les tutelles financent le fonctionnement courant de l’unité. Une autre part, substantielle, des ressources de Safire provient des laboratoires ou organismes utilisateurs de ses services, en particulier via des projets financés par l’Agence nationale de la recherche, la Commission européenne ou encore des agences gouvernementales qui soutiennent souvent les utilisateurs de Safire. Les agents de Safire, issus du CNRS et de Météo-France, sont majoritairement des ingénieurs ou des techniciens, spécialistes de techniques de mesures aéroportées. Des pilotes professionnels, des mécaniciens aéronautiques et du personnel support complètent le dispositif. La base de safire est située sur l’aéroport de Toulouse-Francazal (figure 1). 1. Enquête effectuée en 2014 auprès de plus de 200 laboratoires par le CSTA. Figure 1. Locaux de Francazal. 31 La Météorologie n° 93 mai 2016 Les avions de Safire L’ATR 42 est un bi-turbopropulseur qui peut voler jusqu’à 8 000 mètres d’altitude. En raison de sa taille imposante d’avion commercial, avec une capacité d’emport de 2,5 tonnes de matériel, il permet à plusieurs laboratoires de collaborer en utilisant leurs propres instruments lors de vols mutualisés (encadré 1). À l’origine biréacteur d’affaires, le Falcon 20 explore de plus hautes altitudes avec un plafond de 12 000 m. Sa vitesse de croisière au moment de la mesure est de 200 m/s, soit deux fois plus élevée que celle de l’ATR : cela en fait l’avion le plus rapide de la flotte. Le Piper Aztec, vétéran de la flotte avec 40 ans de service, est un petit bimoteur particulièrement adapté aux mesures en basses couches. Ses caractéristiques lui permettent de faire des tests à bas coût et de voler là où des avions plus gros ne peuvent pas aller. Il a ainsi pu effectuer des survols d’agglomérations à basse altitude qui auraient été interdits à des avions plus volumineux. Une vocation internationale dans une structure européenne Avec ses trois avions, Safire représente une des plus grosses flottes européennes dédiées à la recherche. Un tel dispositif reste un atout majeur pour soutenir la compétitivité des équipes françaises et garantir leur participation aux grandes campagnes internationales de mesure. Naturellement au service des chercheurs de notre pays, Safire fait aussi voler des scientifiques de toute nationalité sur tous les continents. En parallèle, la recherche aéroportée bénéficie de la complémentarité des vecteurs européens réunis au sein du consortium Eufar (European fleet for airborne research). Cette « initiative d’infrastructure intégrée (I3) » européenne permet notamment à tous les scientif iques européens, qu’ils disposent ou non d’un outil national, de bénéf icier de vols scientif iques f inancés. Saf ire a réalisé plusieurs dizaines d’heures de vol dans ce cadre et, sous l’impulsion de ses tutelles, joue un rôle moteur dans ce mouvement européen. Très prochainement, Eufar devrait se consolider en une fédération d’unités nationales au moyen d’une entité juridique commune. Une grande variété de thèmes de recherche Compte tenu de son histoire (encadré 2) et de ses liens forts avec Météo-France, il est naturel que le principal thème des recherches impliquant Safire porte sur l’observation de l’atmosphère. Les enjeux scientif iques autour de la météorologie et du climat nécessitent toujours plus d’observations des interactions entre dynamique, nuages, aérosols, chimie et rayonnement. L’avion reste un outil indispensable par son aptitude à pénétrer dans les phénomènes atmosphériques que les chercheurs souhaitent étudier. Les mesures in situ effectuées à partir d’avions de recherche classiques concernent essentiellement la troposphère, où l’on peut approcher la plupart des phénomènesmétéorologiques que ce soit dans la couche limite ou au sommet des nuages convectifs. La 1. La flotte de Safire 32 La Météorologie n° 93 mai 2016 Un autre grand axe d’utilisation de la mesure aéroportée est l’observation des surfaces (océan, surfaces continentales ou Terre solide), qui recoupe des recherches sur le climat, mais aussi sur la végétation, la sismologie, le volcanisme... Parmi les outils pour lesquels la demande progresse fortement, on peut citer l’imagerie. Ainsi), des caméras hyperspectrales sont testées et utilisées dans les avions de Safire par des chercheurs en sciences des surfaces continentales en collaboration étroite avec l’Onera (Office national d’études et de recherche aérospatiale). L’observation spatiale joue un rôle prépondérant dans tous ces domaines, et les avions de Safire contribuent à son développement au travers notamment de la mise en œuvre de « démonstrateurs » aéroportés, ce qui est une des raisons pour lesquelles le Cnes est cotutelle de l’unité. Ces moyens aériens sont utilisables par toutes les communautés de recherche. La créativité des chercheurs a d’ailleurs permis de mettre en œuvre des projets « exotiques », à l’intersection entre plusieurs disciplines. Ainsi, pendant la campagne Draconides2, le Falcon 20 s’est déplacé jusqu’à Kiruna pour traquer et photographier une pluie de météorites. Une structure de travail aérien dédiée à la recherche La flotte de Saf ire est composée d’avions qui ont été profondément modifiés pour les adapter aux besoins de la recherche. Leurs structures (fuselage et ailes) sont percées ou couvertes de hublots, trappes, pylônes-supports de capteurs et autres veines de prélèvement (figure 2) ; un réseau de distribution électrique et de mesure a été installé et l’aménagement de la cabine lui-même a peu de choses à voir avec le type original de l’avion. En raison du volume important occupé par les appareils de mesure ou de calcul, seulement neuf sièges sont disponibles en cabine dans l’ATR 42 – au lieu de la cinquantaine prévue dans la conf iguration de transport de passagers –, quatre dans le Falcon 20 et deux dans le Piper Aztec. Ils sont réservés aux expérimentateurs navigants de Safire et aux scientifiques qui analysent les données pendant le vol, interviennent si besoin sur les instruments et modif ient Les historiens rapportent que, dès ses balbutiements, la conquête de l’air par les avions a donné lieu à des expériences physiques sur l’atmosphère, tout comme les techniques d’exploration par cerf-volant et ballon-sonde qui ont contribué à la naissance de la météorologie moderne. Néanmoins, il faut attendre la mise au point d’avions légers et fiables pour que le Service météorologique français, l’ONM (Office national météorologique), se dote en 1936 et à l’initiative de l’ingénieur René Eyraud d’un motoplaneur (photo 2) et dont le devis sur papier pelure est pieusement conservé dans les archives de Safire... Les reconnaissances météorologiques aériennes effectuées pendant la deuxième guerre mondiale ont fait gagner du galon aux avions de recherche : à partir de 1947, le CAEM (Centre aérien d’études météorologiques), ancêtre de Safire, et la SASM (Section d’avions de sondages météorologiques), unité militaire exploitant des aéronefs, collaborent en mêlant ingénieurs civils et moyens militaires. À la fin des années 1960, la recherche amorce une nouvelle phase en se dotant de moyens aéroportés en propre. L’objectif est de mettre en place des méthodes éprouvées afin d’étudier l’atmosphère et les surfaces océaniques ou continentales à partir d’avions, en complément des données au sol. Basé dans les installations du Centre d’essais en vol (CEV) de Brétignysur-Orge, l’é