La pollution atmosphérique urbaine : évaluation de l'impact sur le climat

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1 UNIVERSITE LIBANAISE FACULTE DE SANTE PUBILIQUE Prof. ELMOLL Ahmad, Département de chimie analytique et sciences de l environnement Université de Strasbourg - CNRS LMSPC, Équipe de Physico-Chimie de l'atmosphère, UMR 7515, Strasbourg, France La pollution atmosphérique urbaine : évaluation de l'impact sur le climat Environnement et gestion durable des écosystèmes naturels au Moyen-Orient, Avril 2011, Beyrouth, Liban

2 Contexte : Pourquoi étudier les particules atmosphériques en milieu urbain??? Dans les grandes métropoles, les aérosols organiques constituent une partie importante de la matière particulaire urbaine et jouent un rôle potentiellement important d'une part sur la qualité de l'air et d autre part sur le bilan radiatif terrestre

3 Plan de l exposé l expos : - Etudier la composition et l évolution de l aérosol en milieu urbain - Evaluer l impact des particules atmosphériques sur le climat afin d estimer leur rôle sur le réchauffement climatique. Etudier la pollution particulaire dans les zones urbaines - Conclusion et Perspectives

4 Introduction Dans le monde entier, plus de 50% de l'humanité vit dans des zones urbaines dont l atmosphère est insalubre, et sont exposées à une "soupe" de polluants qui se dégagent de diverses sources. La circulation automobile, les centrales de production de l'énergie et les zones d'habitation résidentielle et industrielle sont considérés comme les principaux responsables des émissions de gaz et de particules d aérosol d origine anthropique. Durant les procédés de combustion et d'autres procédés de production, des polluants de l'air sont émis. Certaines de ces émissions sont souvent conjointes de GES et de polluants de l air; de sorte que les actions vis-àvis du climat et de la qualité de l air semblent s aggraver rapidement, au même rythme que la croissance urbaine.

5 Particules d'origine anthropique Les particules émises par les routes, les travaux... = émission de grosses particules ( >10 µm) Les particules fines émises lors de la combustion des énergies fossiles (les fumées noires : centrales thermiques, véhicules, chauffage etc..) = émission de fines particules ( 2,5 µm) Les particules dans les ville = particules ultrafines ( < 0,1 µm)

6 Quelle est la composition des particules émises en milieu urbain? Cette pollution particulaire correspond à de petits grains de poussières suspendus dans l air. Ce sont des gouttelettes invisibles, liquides ou solides, qui sont soit produites directement dans l atmosphère par des processus de production comme la suie par exemple, on parle alors d émissions primaires, soit produites indirectement par la condensation de COV comme les hydrocarbures, et on parle alors d émissions secondaires. Cette seconde voie d émission (aérosols organiques) constitue une partie importante de la matière particulaire urbaine (jusqu à 80 à 90% dans certains lieux) et jouent donc un rôle prépondérant dans les problématiques liées à la pollution de l air, la santé mais aussi les changements climatiques. La composition chimique de la matière particulaire est fortement fonction de leur source. Les particules fines sont essentiellement composées d'aérosols organiques secondaires, AOS

7 Composition des particules HCl H2 O - Minéraux -H20, sulfates,nitrates, black carbon,... - Organiques Primaires - Alcanes, HAP, Secondaires - Acides carboxyliques, aldéhydes, H2SO4 HNO3 NH3 Cl- H2O H, NO3 SO42HSO4H2SO4 + - NH4+ «black carbon» Cristaux Métaux,... Organiques OHNa+ Ca2+, Fe3+ Mg2+ Organiques

8 1ère Partie Transport et d'accumulation des polluants à plusieurs échelles

9 Mais comment ces particules se dispersent dans l atmosphère? C'est vrai que la pollution particulaire est en partie responsable de la mauvaise qualité de l'air dans les grandes agglomérations, et par conséquent, elle a des effets néfastes sur la santé humaine, mais elle influence aussi le climat de manière globale. La dispersion des polluants d'air dépend principalement des c. Météorologique et des procédés physiques dans l'air; ceux du vent et du temps etc D autre part, la distance sur laquelle les polluants de l'air sont transportés dépend : de la dimension des particules des composés et à quelle hauteur les polluants furent émis dans l'air.

10 La pollution atmosphérique : du local au global La dispersion est en relation avec la taille. En effet, les particules fines peuvent monter de 2 à 4 km d altitudes et ainsi d atteindre la troposphère où elles sont dispersées et transportées sur des longues distances. Cette distance parcourue dans le milieu atmosphérique dépendra beaucoup des propriétés physico-chimiques et la réactivité chimique de la particule fine.

11 Variabilité spatio-temporelle de la pollution particulaire les activités humaines causent des pollutions atmosphériques parfois très importantes au niveau local ou urbain (c est le local change) voire à l échelle de régions entières et même globale. Km Pollution globale Stratosphere Pollution régionale Troposphere Pollution locale CLU Transport et dispersion des polluants

12 Voies de transport et d'accumulation des polluants à plusieurs échelles Pollution globale Pollution régionale 3 2 Pollution locale 1

13 Caractérisation physico-chimiques des aérosols Dans un contexte de pollution atmosphérique liée à l activité humaine, l étude expérimentale des aérosols occupe une place toute particulière surtout pour leur impact climatique (modification du bilan radiatif terrestre). Les travaux menés au Laboratoire sur l étude expérimentale des aérosols portent notamment sur la caractérisation très fine de leur composition chimique, puisque c est à partir de cette composition chimique que l on traduit l impact des aérosols sur le forçage radiatif terrestre.

14 Les aérosols et leurs effets sur le réchauffement du climat Même si les GES jouent un rôle majeur dans le réchauffement climatique de la terre, un autre acteur participe à ce phénomène : les aérosols atmosphériques, PM). 45% du réchauffement observé ces trente dernières années en Arctique serait attribuable à l action des aérosols. Durant les procédés de combustion et d'autres procédés de production, des polluants de l'air sont émis. Certaines de ces émissions sont souvent conjointes de GES et de polluants de l air; de sorte que les actions vis-à-vis du climat et de la qualité de l air semblent s aggraver rapidement, au même rythme que la croissance urbaine.

15 Perturbation du bilan radiatif de la terre Changements climatiques Conséquences Effet de serre Polluants de l air : NOx, COV, O3, PM GES Emissions d origine anthropiques Qualité de l air Zones urbaines

16 Formation et évolution de l aérosol organique secondaire La formation des aérosols dans l'atmosphère se fait : soit par transformation de gaz en particules (nucléation homogène ou hétérogène) soit par fragmentation des liquides ou solides. Ces aérosols anthropiques urbains sont principalement constitués de particules submicroniques, formées près des sources d émission, ayant une durée de vie suffisamment importante pour évoluer et grossir suivant ce schéma. Pratiquement, il est généralement admis que les très fines particules primaires émises (OC, BC) concentrées sur les villes grossissent au cours de leur transport dans le panache de polluants par coagulation de particules entre elles ou par condensation de gaz et d espèces secondaires sous l effet de la photochimie. Les aérosols de combustion (carbone) et les ions (sulfate, nitrate,...) représentent typiquement près de 90% de la masse des aérosols submicroniques qui sont les plus importants au niveau climatique.

17 Formation et évolution de l aérosol organique secondaire La gamme de taille des aérosols atmosphériques varie de quelques nanomètres à quelques centaines de micromètres. De même, en terme de concentrations massiques (masse d aérosol par unité de volume d air) l aérosol atmosphérique peut couvrir une large gamme, comme le montre la figure ci-dessous. ème Les particules ne restent pas indéfiniment dans l'atmosphère: dans la partie basse de l'atmosphère (la troposphère), elles restent plusieurs jours dans l'air. Ainsi, avant de disparaître, elles ont le temps de se transformer, par différents mécanismes. Ces transformations sont la coagulation, la condensation et les modifications dans les nuages.

18 Processus de combustion )Particules organiques (OC Aérosols organiques secondaires (AOS). carbone-suie (Black ).Carbon, BC Gaz, (SO2, NOx, CO, CO2, COV), précurseurs de particules inorganiques Les différents processus de combustion génèrent de grandes quantités d'aérosols carbonés (carbone-suie et carbone organique) dans l'atmosphère.

19 Formation d aérosols organiques secondaires (AOS) Emissions de particules Aérosols organiques capturés par un filtre

20 Formation d aérosols organiques secondaires (AOS) L image obtenue par analyse MEAB (Microscope Electronique Analytique à Balayage) d échantillon montre la diversité de formes et de tailles des aérosols Les particules émises par un véhicule (donc par combustion) sont des particules fines de l ordre d une petite centaine de nanomètres. Issues de sources très diverses les particules atmosphériques ont des formes et des tailles très différentes.

21 La concentration des particules dans l'atmosphère La concentration des particules dans l'air dépend fortement de l'endroit où on se trouve : La concentration des particules dans l'atmosphère milieu de l'océan 4,8 µg/m3 zone rurale 15 µg/m3 zone urbaine > à 100 µg/m3 Concentrations d'aérosols dans des milieux urbains, ruraux et marins Pour les PM2,5 = 20 µg/m3 MA Par contre les PM0,1 sont Non reglémentés

22 La concentration des particules dans l'atmosphère Les conentration extremes varient entre 900 à particules au CC dans les grandes agglomerations, selon la nature du site de prélèvment La courbe donne le Nb de particues/cc en fct de rayon (µm) Concentrations d'aérosols dans des milieux urbains, ruraux et marins

23 La concentration des particules dans l'atmosphère Les analyses ont montré que la réaction chimique est d'autant plus importante que les particules sont fines, riches en carbone organique, notamment soluble, et présentes en grande proportion dans l aérosol urbain.

24 2 partie ème Les aérosols atmosphériques et leurs influences sur le climat à travers leur rôle sur le bilan radiatif de la Terre

25 Les effets des aérosols sur le climat Dans cette partie on va étudier les propriétés des aérosols carbonés en milieu urbain. Mais tous les aérosols n ont pas le même effet sur le climat terrestre! L'impact de ces aérosols sur la chimie atmosphérique et le bilan radiatif dépend de leurs propriétés (taille, composition chimique et hydrosolubilité ) susceptibles de changer en fonction des sources et d'évoluer durant le transport des particules.

26 Description avec un schéma détaillé la composition des aérosols atmosphériques Carbone organique semi-volatil HAP Carbone organique ème

27 L étude de l impact radiatif de l aérosol carboné 1 2 L étude de l impact radiatif de l aérosol carboné est complexe et multiple à cause de l inhomogénéïté de la distribution géographique des aérosols et de leurs propriétés. L aérosol carboné se décompose en effet en 2 fractions en proportions variables et aux propriétés radiatives opposées : le carbone organique (OC), par effet radiatif direct, produit principalement un refroidissement de l atmosphère alors que le carbone-suie ou "black-carbon" (BC) produit un réchauffement. Les aérosols plus gros, comme ceux formés à partir du carbone-suie issu de la combustion des hydrocarbures ou des feux de forêts, ont un fort pouvoir d absorption et ont donc pour effet de capturer l énergie au profit d une augmentation de l effet de serre.

28 Les 2 composantes de l aérosol carboné Carbones suies ou carbones noirs BC Carbones organiques, OC µm 10< µm 1> Absorber le rayonnement solaire Retrodiffuser le rayonnement Effet radiatif direct En réchauffant l atmosphère Effet radiatif indirect En refroidissant l atmosphère En modifiant les propriétés optiques des nuages

29 Effets des particules sur le bilan radiatif de l atmosphère Effets directs : Absorption et diffusion des rayonnements solaires Effets indirects : Formation de nuages (formation de gouttelettes) Modification de la micro-physique des nuages (taille de gouttelettes, pouvoir réfléchissant, durée de vie de nuages etc..) Les particules d'aérosols ont un effet important sur le système climatique, à cause de leur interaction directe (absorption et dispersion) avec le rayonnement solaire et terrestre, et de leur incidence sur la formation des nuages.

30 A l échelle globale Le changement climatique a de nombreux impacts sur la pollution atmosphérique D un autre côté le changement climatique a de nombreux impacts sur la pollution atmosphérique en modifiant divers paramètres météorologiques qui se répercutent sur la qualité de l air (vagues de chaleur à l origine de fortes pollution par l ozone, impacts de la circulation atmosphérique sur la dispersion des polluants, augmentation des émissions biogéniques de COV sous l effet de la température, risques d incendies de forêts générateurs de particules, effets des changements du régime des précipitations sur les dépôts des polluants, etc...). A L'augmentation de la vapeur d'eau, la modification des échanges stratosphère - troposphère pourraient en effet modifier la concentration de fonds des polluants.

31 Zone rurale Impacts Zone urbaine Changements climatiques échanges troposphère - stratosphère (CO2, CH4 ) GES Activités humaines Conséquences ES Impacts Emissions polluantes Particules atmosphériques : PM10 Polluants de l air {PM 2,5 {qualité de l air Gaz : SO2, NOx, COV, O3 GES, Particules : Impact climatique

32 3 ème partie L'urbanisation et réchauffement climatique Corrélation entre qualité de l air en ville et réchauffement climatique l urbanisation et son rôle Le «mesoclimat» Conclusion

33 L'urbanisation et le climat urbain La zones urbaine est un endroit où les activités humaines sont plus intenses. une modification de la nature de la surface de la planète, l'urbanisation fait de la ville un milieu qui absorbe plus de rayonnements solaires. En effet, les villes majoritairement bétonnées et goudronnées, présentent des surfaces assez limités ce qui empêche la bonne dispersion de polluants etc.. D atre part, les surfaces noires (asphalte, goudron, grand nombre de bâtiments etc...), renvoient ensuite le rayonnement solaire absorbé sous forme de rayonnement infrarouge ce qui réchauffe l'air urbain. le réchauffement de l'air urbain posent plusieurs problèmes : ils renforcent la pollution de l'air en aggravant le smog le faible taux de végétation. (joue un rôle de régulateur thermique) Ces îlots de chaleur sont des microclimats artificiels.

34 L effet de la croissance urbaine sur le climat La corrélation est nette : à mesure que la zone urbaine s étende, les précipitations hivernales se réduisent et le smog d été sera important.

35 3.A-2 GES et aérosols / Climat Pour réduire le réchauffement climatique, l effort devrait porter non seulement sur la réduction des émissions de GES, mais également sur les aérosols carbonés). Par ailleurs, les aérosols ont également une courte durée de vie contrairement à la plupart des GES. Leur effet peut donc facilement être éliminé, alors que la plupart des GES s accumulent dans l atmosphère. Le changement climatique et la pollution atmosphérique sont tous deux principalement causés par des émissions polluantes liées à l'activité humaine. Ces 2 phénomènes sont étroitement liés et exercent une influence l'un sur l'autre

36 3.A-2 Élargir les zones d échantillonnages Analyser des nouveaux polluants.

37 r u o p Merci votre n o i t n atte