Sources of error in open-path FTIR measurements of N₂O and CO₂ emitted from agricultural fields
Atmospheric Measurement Techniques · 2020
Étude expérimentale des principales sources d’erreur affectant la quantification du N₂O par spectroscopie infrarouge FTIR. Les auteurs montrent que la vapeur d’eau, la température, la longueur du trajet optique et le modèle d’analyse spectrale peuvent modifier significativement la mesure, mais que le choix de fenêtres spectrales adaptées et de méthodes de calibration multivariées permet de réduire fortement ces biais.
Ce que cette publication apporte
Cette étude caractérise expérimentalement plusieurs facteurs influençant la quantification du N₂O par spectroscopie FTIR : vapeur d’eau, température, longueur du trajet optique et conditions de mélange de l’air. Elle montre que les performances ne dépendent pas uniquement de l’existence d’une absorption infrarouge du N₂O, mais également du choix de la fenêtre spectrale, de la résolution, des conditions de mesure et du modèle utilisé pour extraire la concentration. Les auteurs montrent notamment qu’une calibration multivariée PLS peut réduire fortement les biais observés avec une approche CLS.
Question étudiée
Dans quelle mesure la vapeur d’eau, la température, la longueur du trajet optique et les conditions environnementales affectent-elles la quantification du N₂O et du CO₂ par spectroscopie OP-FTIR, et les méthodes d’analyse spectrale peuvent-elles réduire les biais associés ?
Méthode
Les auteurs combinent des expériences FTIR de laboratoire et des mesures OP-FTIR en conditions de terrain. En laboratoire, des mélanges contenant 310 à 700 ppbv de N₂O sont analysés à différentes humidités et températures. Sur le terrain, le N₂O et le CO₂ atmosphériques sont mesurés par OP-FTIR avec différents trajets optiques. Les concentrations obtenues sont comparées à des analyseurs de référence indépendants. Deux méthodes multivariées de quantification, classical least squares (CLS) et partial least squares (PLS), ainsi que différentes fenêtres spectrales sont évaluées.
Principaux résultats
La vapeur d’eau interfère avec la quantification infrarouge du N₂O lorsque le modèle CLS est utilisé : à 30 °C, les auteurs observent une sous-estimation d’environ 3 % en laboratoire et 12 % en conditions de terrain. Une sélection appropriée de la fenêtre spectrale et l’utilisation d’un modèle PLS réduisent fortement ce biais.
Les différences de température entre spectres de référence et échantillons introduisent un biais supplémentaire dans la quantification du N₂O. Pour un échantillon humide, une différence de 10 °C augmente le biais d’environ 2 % en laboratoire et 9 % sur le terrain avec les modèles CLS, tandis que les modèles PLS sont nettement moins sensibles à cet effet.
Le choix du modèle de quantification influence fortement la justesse de la mesure : pour le N₂O, les modèles PLS réduisent le biais à −0,6 ± 0,4 % en laboratoire et à environ +2,0 ± 0,8 % sur le terrain, contre des sous-estimations pouvant atteindre environ 12 % avec les modèles CLS dans certaines conditions.
Portée du résultat
Ce que cette publication permet de conclure
Cette étude démontre que le N₂O peut être quantifié par spectroscopie infrarouge FTIR à des concentrations de l’ordre de quelques centaines de ppbv, y compris en conditions atmosphériques réelles. Elle montre également que les interférences spectrales et environnementales, notamment celles liées à la vapeur d’eau et à la température, peuvent être caractérisées et fortement réduites par le choix des fenêtres spectrales et des méthodes de calibration adaptées.
Ce qu’elle ne permet pas de conclure
Cette publication ne permet pas de conclure aux performances d’un analyseur NDIR compact, ni à sa capacité à détecter le N₂O dans l’air expiré après consommation. Elle ne définit aucune fenêtre de détection post-exposition et n’évalue ni sensibilité ni spécificité dans une population humaine.
Limites
Les expériences portent sur une technologie FTIR à haute résolution et, pour les mesures de terrain, sur une configuration open-path avec de longs trajets optiques. Les concentrations étudiées sont atmosphériques et les matrices gazeuses diffèrent fortement de l’air expiré humain. Les performances observées dépendent en outre du modèle de quantification, de la fenêtre spectrale, de la résolution, de la température et du trajet optique ; elles ne sont donc pas directement généralisables à d’autres architectures infrarouges.
Lin C-H, Grant RH, Heber AJ, Johnston CT. Sources of error in open-path FTIR measurements of N₂O and CO₂ emitted from agricultural fields. Atmospheric Measurement Techniques. 2020.
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