Depuis le début de cette année, une suite d’instruments est à pied d’œuvre pour détecter un large spectre d’aérosols à la station météo de MétéoSuisse à Payerne dans le canton de Vaud. Ce projet pionnier, une initiative conjointe de l’EPFL, de l’Office fédéral de météorologie et de climatologie et de partenaires européens, vise à améliorer la prédiction pollinique et à mieux comprendre l’impact critique des bioaérosols, de la fumée et de la poussière sur la formation des nuages et la météo.
Les personnes souffrant du rhume des foins connaissent bien les cartes polliniques de l’Office fédéral de la météorologie et de la climatologie (MétéoSuisse) et leurs nuances de rouge et de jaune. Ces prévisions jouent un rôle essentiel dans l’orientation des mesures de santé publique, en particulier après que la Suisse a enregistré des niveaux record de pollen ce printemps. Dans un effort pour développer des capacités de prévision plus détaillées et plus précises, plusieurs nouveaux instruments ont été installés à Payerne Upper Air Station plus tôt cette année. C’est la première fois que ces instruments sont déployés simultanément.
La recherche est menée conjointement par MétéoSuisse, l’EPFL, l’Université technique nationale d’Athènes (NTUA) et la Fondation pour la recherche et la technologie – Hellas (FORTH) et a reçu un financement du Fonds national suisse de la recherche scientifique et du prestigieux Conseil européen de la recherche à travers les transformations pyrogènes de l’UE affectant le climat et la santé (PyroTRACH) programme. En plus de détecter une gamme plus large de types de pollen que dans les études existantes – grâce en partie aux travaux pionniers des scientifiques sur les systèmes de télédétection laser verticale – ce projet étudie également d’autres causes d’allergies et de stress oxydatif, telles que les spores de champignons, les bactéries , la poussière et la fumée des incendies de forêt, ainsi que des méthodes pour améliorer les prévisions de pollen et la formation des nuages.
Système LiDAR pour les mesures 3D
En mai de cette année, un système LiDAR a été installé au laboratoire de conteneurs atmosphériques de l’EPFL situé près de l’entrée du bâtiment principal de MétéoSuisse. Le système LiDAR se compose d’un laser UV pulsé couplé à un télescope récepteur et à des instruments électro-optiques. Ensemble, ces technologies détectent la lumière réfléchie par les particules en temps réel. Et la nuit, ils captent la “lueur” générée par le laser lorsqu’il frappe ces particules. Le spectre de couleurs résultant sert d’« empreinte digitale numérique » unique, signalant la présence de pollen en suspension dans l’air, de spores fongiques et bactériennes, ainsi que de particules de fumée et de poussière, grâce à la détection par fluorescence. Il n’y a actuellement que quatre instruments de ce type en service dans le monde, et tous sont encore très expérimentaux; ce nouveau est le plus avancé en termes de capacité.
Les signaux LiDAR sont capturés toutes les 7 minutes, avec une résolution spatiale de 3,5 mètres et une résolution spectrale de 6 nanomètres, et l’instrument a une portée de 2 à 3 kilomètres en altitude, s’étendant dans la troposphère libre. Et ce n’est pas tout : le nouveau système LiDAR dispose également d’un filtre spectral étendu, ce qui signifie qu’il peut faire la distinction entre les particules biogéniques (celles produites par des organismes vivants) et les particules d’autres origines situées entre le sol et 4-5 kilomètres au sol. . Il a une résolution temporelle de 3 à 5 minutes et peut prendre des mesures 3D, contrairement aux instruments existants qui ne peuvent prendre que des mesures 2D près du sol.
Ce système innovant est une idée originale du professeur Alexandros Papagiannis, qui a quatre décennies d’expérience de recherche dans ce domaine. Officiellement affilié à la NTUA, Papagiannis est également professeur invité au Laboratoire des processus atmosphériques et de leurs impacts (LAPI) de l’EPFL, dirigé par le professeur Athanasios Nenes. Les deux professeurs ont reçu une bourse d’instruments de recherche de l’EPFL et ont utilisé les bénéfices, ainsi que le financement du LAPI, du Fonds national suisse de la recherche scientifique et de PyroTRACH, pour acheter les composants de base de leur système LiDAR et financer la campagne. En clin d’œil à leurs racines grecques, ils ont nommé leur projet PERICLES, abréviation de “PayernE lidaR et détection in situ de la combustion de la biomasse fluorescente, des bioaérosols et des particules de poussière et de leurs impacts sur les nuages”.
Apprentissage automatique et analyse des aérosols
Le toit de la station météo de Payerne abrite de nombreux autres instruments. Ils sont suivis par Sophie Erb, doctorante à MétéoSuisse et au Laboratoire de télédétection environnementale de l’EPFL, et Kunfeng Gao, postdoc au LAPI. Erb connaît un appareil photo qui capture des photos de grains de pollen et de spores fongiques jusqu’à dix fois par seconde. Une fois traitées, les images 3D sont introduites dans une machine, qui est formée pour identifier de quel type d’organisme proviennent les particules, contribuant ainsi à améliorer les cartes de prévision du pollen.
Pendant ce temps, Gao mesure les concentrations et les tailles de différents aérosols piégés dans une petite fiole d’eau courante connue sous le nom de “cyclone humide”. Cette méthode de capture est préférable à un filtre car elle permet de collecter les poussières et autres particules insolubles sans détruire les particules biologiques sensibles telles que les bactéries. Les particules sont ensuite congelées afin que les scientifiques puissent analyser leur composition chimique et génomique et déterminer comment les particules affectent la santé humaine. Ces informations apportent également un éclairage important sur le processus de givrage des nuages et donc sur les précipitations. L’échantillonnage pour PERICLES est effectué en partenariat avec Kalliopi Violaki, un scientifique du LAPI spécialisé dans la chimie analytique, la chimie atmosphérique et les bioaérosols.
fumée de feu de forêt
Le nouveau système LiDAR peut également identifier la source des particules et mesurer les quantités dans l’air en temps réel. En mai et juin, par exemple, l’instrument a enregistré des niveaux élevés de particules de fumée provenant d’incendies de forêt au Canada et aux États-Unis. Plus récemment, l’air au-dessus de la Suisse s’est encombré de débris provenant d’incendies de forêt en Allemagne. “L’impact sur la santé de ces aérosols est largement sous-estimé”, explique Nenes, qui dirige PERICLES. “C’est pourquoi il est si important d’aller au fond de ce qui se passe réellement. Nous n’avons souvent aucune idée de ce qui se passe au-dessus de nos têtes, surtout en ce qui concerne les bioaérosols et les particules de fumée.”
Nenes espère qu’un jour les recherches de l’équipe pourront aider les scientifiques à développer des cartes améliorées en temps réel pour éclairer les politiques de santé publique. Mais même maintenant, le nouveau système LiDAR pourrait entraîner un changement radical dans les capacités de prévision. “Nous avons déjà identifié une marge d’amélioration significative dans les modèles de prévision actuels”, explique Papagiannis. “Le nombre de pollens change considérablement au cours d’une seule journée, les concentrations les plus élevées étant enregistrées au cours de la journée.”
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