Des sources aux dépôts de particules fines émises par le trafic routier : quels sont les apports et les limites du magnétisme environnemental ?

From sources to sinks of traffic-related particles matter : what are the contributions and limits of the environmental magnetism approach?

• Auteur / Autrice : Sarah Letaïef
• Direction : Pierre Camps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Ritz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Camps, Jean-François Ritz, Matthias Beekmann, Stuart Gilder, Claire Carvallo, Christine Franke, Jean-François Léon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthias Beekmann, Stuart Gilder

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transports routiers

Modélisation CFD

Pollution atmosphérique

Mots clés libres

Magnétisme environnemental

Source-Puits

Modélisation analogique

Sciences participatives

Modélisation numérique

Particules fines émises par le trafic

Environmental magnetism

Source-To-Sink

Analogical modeling

Citizen sciences

Numerical modelling

Traffic-Related particle matter

Résumé

La surveillance et la mitigation de la pollution de l’air sont devenues des problématiques publiques et politiques prioritaires. Selon les normes de l’Union Européenne, les PM sont mesurées en µm/m3. Une mesure qui n’est pas sensible à la présence des plus fines étant donné leurs faibles masses, alors qu’elles sont plus nombreuses et nocives. C’est pourquoi, une approche non-conventionnelle et alternative basée sur le magnétisme environnemental offre une excellente opportunité de détecter les particules les plus fines. Cette approche consiste à mesurer les propriétés magnétiques des surfaces accumulatrices après qu’elles aient été exposés à un air pollué. Elle permet une cartographie locale des dépôts de polluants intégré sur le temps d’exposition. Mais jusqu’où peut aller cette méthode en termes de surveillance de la qualité de l’air ? Le premier volet de ma thèse a permis d’évaluer le potentiel de la cartographie magnétique réalisée aux abords d’une autoroute en comparant ses résultats avec ceux d’un modèle numérique de dispersion des polluants (CFD). Ce dernier prend en compte le moment de vitesse et la turbulence induits par le trafic, ce qui est rarement fait dans ce genre d’approche. La cartographie du paramètre magnétique exposait une asymétrie des dépôts de polluants, où le maximum était localisé sous le vent. Cette observation surprenante a été confirmée par le modèle numérique qui prédisait à cet endroit un courant de recirculation dû à la présence d’un mur anti-bruit. Cette étude a permis de valider la cartographie magnétique des polluants en exprimant les valeurs en variation relative afin d’isoler la source de PM que l’on veut étudier. Le deuxième volet fut l’occasion d’examiner si le magnétisme pouvait être utilisé dans une étude de science citoyenne et jusqu’à quel point des données non-conventionnelles pouvaient servir de levier à la décision politique dans une rue canyon de Montpellier. Finalement, la surveillance magnétique de la qualité de l’air semble être promue pour les études citoyennes en apportant des données de haute résolution à l’échelle de la rue et peut être également perçue comme une alternative ou un complément aux techniques de surveillance conventionnelles.Le troisième volet s’intéresse de manière plus fondamentale à ce que l’on est capable de mesurer avec le magnétisme puisque que tous les polluants ne sont pas nécessairement magnétiques. Pour cela, j’ai caractérisé magnétiquement les différentes sources provenant du trafic. En combinant les techniques, je peux dire aujourd’hui que les paramètres magnétiques ont un réel potentiel pour discriminer les différentes sources d’émission de polluants. Finalement, aux vues du nombre important d’échantillons, de leurs hétérogénéités et des nombreuses analyses magnétiques effectuées, je n’ai pas été capable de comparer directement les propriétés magnétiques des sources avec celles mesurées sur les surfaces accumulatrices. Ainsi, j’ai utilisé le Machine Learning avec un algorithme du k-nearest neighbor pour classifier les sources en plusieurs catégories selon leurs paramètres magnétiques et prédire la principale source magnétique de PM mesurée sur les surfaces accumulatrices. Le dernier volet traite de la mitigation de la pollution de l’air par des barrières végétales. Aujourd’hui il n’y a pas encore de consensus clair : certains affirment leurs capacités à extraire ces polluants de l’air et d’autres soulignent la gêne qu’ils occasionnent à la dispersion des polluants. À l’aide d’un tunnel à vent expérimental « fait maison », nous avons réalisé plusieurs expériences en injectant du diesel sur différentes espèces végétales endémiques du sud de la France pour calculer leurs vitesses de dépôt. Ce paramètre permet de contraindre les modèles sur l’effet des végétaux sur la captation ou dispersion des polluants. Malheureusement, nous n’avons pas trouvé de corrélation entre ces données et les mesures magnétiques réalisées sur les feuilles des haies.

Air pollution monitoring and mitigation have become a public and political issue of high priority. According to European Union standards, PM is measured in µm/m3. A measurement that is not sensitive to the presence of the finest given their low masses, while they are more numerous and harmful than the regulated PM. Therefore, an unconventional and alternative approach based on environmental magnetism offers an excellent opportunity to detect the finest particles. This approach consists of measuring the magnetic properties of accumulative surfaces after they have been exposed to polluted air. It allows local mapping of pollutant deposits integrated over the exposure time. But how far can this method go in terms of air quality monitoring?The first part of my thesis made it possible to evaluate the potential of magnetic mapping carried out near a highway by comparing its results with those of a numerical model of pollutant dispersion (CFD). The latter, considered the moment of speed and the turbulence induced by the traffic, which is rarely done in this kind of approach. Mapping of the magnetic parameter exposed an asymmetry in pollutant deposition, where the maximum was located downwind. This surprising observation was confirmed by the numerical model which predicted a recirculation current at this location due to the presence of a noise barrier. This study made it possible to validate the magnetic mapping of pollutants by expressing the values in relative change in order to isolate the source of PM that we want to study.The second part was an opportunity to examine whether magnetism could be used in a study with a citizen science approach and to what extent unconventional data could be used as a lever for political decision-making in a canyon street in Montpellier. Finally, magnetic air quality monitoring seems to be promoted for citizen studies by providing high resolution street-scale data and also be seen as an alternative or complement to conventional monitoring techniques.The third part focuses more fundamentally on what we are able to measure with magnetism since not all pollutants are necessarily magnetic. For this, I magnetically characterized different sources coming from traffic. By combining different techniques, I can say today that the magnetic parameters have a real potential to discriminate between the different sources of pollutant emissions. Finally, in view of the large number of samples, their heterogeneities and the numerous magnetic analyzes carried out, I was not able to directly compare the magnetic properties of the sources with those measured on the accumulative surfaces. Thus, I used Machine Learning with a k-nearest neighbor algorithm to classify the sources into several categories according to their magnetic parameters and to predict the main magnetic source of PM measured on the accumulator surfaces.The last part covers the mitigation of air pollution by urban hedgerows. Today there is still no clear consensus: some affirm their ability to extract these pollutants from the air while others emphasize they hinder the dispersion of pollutants. Using a “homemade” experimental wind tunnel, we carried out several experiments by injecting diesel exhaust into different hedge of endemic species to the south of France to calculate their deposition velocities. This parameter is used to parameterize models on the plant effects on capture or dispersion of pollutants. Unfortunately, we did not find any clear correlation between data from PM sensors and the magnetic measurements.