RES-1103-eclairages

éclairages  10 sur notre futur commun janvier-mars 2011

Comme ces émissions sont constituées d’un grand nombre de composés très réactifs (tels que les alcènes et les composés aromatiques), elles ont un impact majeur sur la formation d’ozone, polluant et gaz à effet de serre.

Au plan des stratégies scientifiques, cette recherche confirme l’utilité d’outils totalement indépendants et complémentaires des données d’inventaires d’émissions, tels que les modèles sources-récepteur dans l’évaluation de la qualité de l’air.

Enfin on notera que ce travail témoigne bien du fait que la dérive des émissions inquiète scientifiques et responsables chinois qui investissent aujourd’hui dans les questions d’environnement négligées jusqu’ici et qui sont loin d’apparaître comme « un problème de riches ».

Pour en savoir plus Airparif, 2009, « Bilan 2008 des émissions de polluants atmosphériques et de gaz à effet de serre en Ile-de-France (sur la base de données des références de l’année de 2005) », www.airparif.fr Gaimoz C., 2009, « Caractérisation expérimentale des sources de composés organiques volatils dans deux mégapoles contrastées : Paris et Pékin », Thèse de doctorat de l’Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines.

Hopke P. K., 2000, « A guide to Positive Matrix Factorization. EPA Workshop proceedings materials from the workshop on UNMIX and PMF as applied to PM2.5 ».

Lanz V. A., Hueglin C., Buchmann B., Hill M., Locher R., Staehelin J., Reimann S., 2008, « Receptor modeling of C2-C7 hydrocarbon sources at an urban background site in Zurich, Switzerland : changes between 1993-1994 and 2005-2006 ». Atmospheric Chemistry and Physics 8, 2313-2332.

Perspectives Cette recherche constitue un travail préliminaire qui est repris dans le projet européen MEGAPOLI (Megacities, Emissions, urban, regional and Global Atmospheric POLlution and climate effetcs, and Integrated tools assessment and mitigation, http://megapoli.dmi. dk), dont les objectifs sont triples : 

déterminer l’impact de la pollution émise par les mégapoles sur la pollution de l’air locale, régionale et globale ;



quantifier les rétroactions des rejets de polluants des mégapoles sur le climat local et régional ainsi que sur le changement climatique global ;



développer des outils d’intégration qui serviront à la prédiction des émissions polluantes des mégapoles. 

Niedojadlo A., Becker K. H., Kurtenbach R., Wiesen P., 2007, « The contribution of traffic and solvent use to the total NMVOC emission in a German city derived from measurements and CMB modelling », Atmospheric Environment 41, 7108-7126.

Paatero P., Tapper U., 1994, « Positive matrix factorization: a non-negative factor model with optimal utilization of error estimates of data values », Environmetrics 5, 111-126.

PNUE (Programme des Nations Unies pour l’environnement), 2008, « Rapport Jeux Olympiques de Beijing 2008.

Un rapport environnemental ».

Contacts auteurs > Cécile Gaimoz : cecile.gaimoz@lsce.ipsl.fr > Valérie Gros : valerie.gros@lsce.ipsl.fr > Bernard Bonsang : bernard.bonsang@lsce.ipsl.fr

 R2DS Ile-de-France est un réseau de recherche sur le développement soutenable. Il a été créé en 2006 comme GIS CNRS à l’initiative du Conseil régional de l’Ile-de-France dans le but de favoriser la recherche sur le développement soutenable.

Il réunit aujourd’hui 19 universités, grandes écoles et établissements publics de recherche. www.r2ds.centre-cired.fr  Le LSCE est une unité mixte de recherche (UMR 1572) entre le CNRS, le CEA et l’Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ), localisé sur deux sites (Saclay et Gif-surYvette). Avec 250 personnes dont 150 permanents, le LSCE fait partie de l’Institut Pierre Simon Laplace (IPSL). Trois axes de recherche y sont développés : - l’étude des mécanismes de la variabilité naturelle du climat à différentes échelles de temps et les interactions entre activité humaine, environnement et climat ; - l’étude des processus intervenant dans le cycle de composants clés tels que le carbone, les gaz à effet de serre et les aérosols qui interagissent avec le climat ; - la géochronologie et l’analyse de géomarqueurs, basées sur une palette de techniques appliquées à l’étude passée et présente de la géosphère et de ses relations avec le climat.

Le LSCE est associé au Prix Nobel de la Paix 2007 obtenu par l’ancien vice-président américain Al Gore et le GIEC (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat), IPCC en anglais. Plusieurs chercheurs du LSCE ont participé comme auteurs principaux ou comme contributeurs/relecteurs à la rédaction du dernier rapport du GIEC. www.lsce.ipsl.fr

Coordination : Catherine Boemare Conception graphique : Hélène Gay Imprimé par impression durable

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Les sources de Composés Organiques Volatils (COV) dans les mégapoles : l'exemple contrasté de Paris et Pékin Cécile Gaimoz, Valérie Gros et Bernard Bonsang

 LSCE, Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement l’échelle planétaire, la modification de la composition chimique de l'air dont on parle le plus aujourd’hui est l’accroissement des teneurs en gaz à effet de serre tels que le gaz carbonique ou le méthane, responsables de changements climatiques. La pollution atmosphérique dont dépend la qualité de l’air que nous respirons se situe à un niveau plus local : elle se traduit en milieu industriel ou urbain par des émissions de composés dits primaires, tels que les oxydes de soufre, les oxydes d'azote, les composés organiques volatils (COV) et les particules, ainsi que par la production de composés dits secondaires tels que l’ozone, les composés oxygénés et les aérosols. L’augmentation et la concentration

À

des activités humaines (transport, production industrielles, etc.) peuvent alors créer des « points sources » très denses d’émissions de polluants atmosphériques, ceci est parti-

culièrement vrai dans les mégalopoles1

Action financée par la Région Ile-de-France

en extension rapide. Les émissions de polluants à l’échelle locale peuvent s’étendre aussi aux échelles régionales voire continentales pour les polluants dont la durée de vie est suffisamment longue pour permettre leur transport à grande distance.

Parmi les différents polluants émis par les mégapoles, les Composés Organiques Volatils (COV) émis par les activités humaines (échappements automobiles, évaporation des essences, industries, chauffage, etc.) sont fortement majoritaires. Certains ont un effet direct sur l’homme (par exemple effet cancérogène du benzène), et d’autres un effet indirect par leur participation aux mécanismes de formation des aérosols organiques secondaires et de l’ozone troposphérique, à la fois polluant et gaz à effet de serre. >>> 1. Zones urbaines de plus de 10 millions d’habitants.

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La concentration de polluants dans l’atmosphère urbaine est déterminée par l’interaction de divers facteurs où prédominent

les sources d’émissions, la dynamique atmosphérique et les phénomènes climatiques et météorologiques. Aussi, afin d’améliorer les connaissances sur le comportement des polluants et de rendre compte de leur rôle au sein de grandes zones urbaines, il est indispensable d’utiliser une approche capable d’en distinguer les diverses espèces (ce qu’on appelle la « spéciation») et d’identifier puis de quantifier leurs différentes sources d’émissions.

L’opinion publique sait peu à quel point les recherches mobilisent une communauté internationale travaillant sur des contextes différents, pour mieux comprendre l’impact de l’homme sur la composition de l’atmosphère2. Ce sont les acquis d’un tel travail que nous commentons ici.

Le contraste entre deux mégapoles Paris et Pékin ont été choisies pour le contraste de leur situation, aussi bien du

point de vue de leur position géographique et climatique, que du niveau de développement technologique et économique : Paris, capitale d’un vieux pays industrialisé a une population de plus de 12 millions d’habitants avec son agglomération, alors que Pékin, capitale d’une puissance économique en devenir mais dont le revenu par tête restait en 2009 quatorze fois inférieur à celui de la France, a une population estimée à 17 millions d’habitants.

Deux campagnes de mesures sur le terrain, réalisées en mai-juin 2007 à Paris et en août 2007 à Pékin ont permis de caractériser et de comparer la pollution atmosphérique de ces deux villes3.

Le premier résultat frappant qui émerge des données obtenues est l’écart significatif entre les concentrations de COV observées qui sont en moyenne trois fois plus élevées à Pékin qu’à Paris, et pour

des composés tels que le styrène, le benzène ou encore l’acétylène, jusqu’à dix, six et cinq fois plus importantes respectivement. Un autre élément de contraste, qui résulte des différences de modes de vie entre les deux villes, vient de l’importance des émissions de COV à Pékin tout au long de la journée et pour toutes les sources de COV confondues,

valeur limite n’a jamais été franchie pour la période considérée révélant l’efficacité de la réglementation du taux de benzène dans les essences (1999). À Pékin en revanche, avec une médiane des concentrations observées de 5,9 µg/m3 pour cette espèce, la limite a été largement dépassée, avec près de 62 % des échantillons recueillis supérieurs à cette valeur, dont un maximum à 35,2 µg/m3, soit sept fois la norme européenne.

indiquant la poursuite d’activités anthropiques importantes pendant la nuit, contrairement à Paris.

Identifier les sources de COV

Ce contraste est certes dû au fait que les deux mégalopoles ne se situent pas au même moment de leur cycle de développement. Mais il reflète aussi le fait

Les inventaires d’émissions4 constituent

qu’elles se situent dans des contextes très différents de politiques environnementales.

En France, suite à la mise en œuvre des politiques européennes, les émissions nationales ont diminué de près de 56 % entre 1988 et 2007 pour atteindre 1 199kt. En Chine, où le contrôle des émissions de COV est inexistant, celles-ci ont augmenté d’un facteur 4,2 de 1980 à 2005 pour atteindre 16 500kt, augmentation directement corrélée au développement du pays. Actuellement, les émissions en Chine sont quatorze fois plus importantes qu’en France, alors qu’à la fin des années 1980 elles l’étaient seulement deux fois plus.

Un enseignement particulièrement intéressant concerne les teneurs en benzène — reconnu comme cancérogène — composé soumis à une directive européenne fixant dès 2010 une valeur limite en benzène de 5 µg/m3 en moyenne annuelle. À Paris, avec une médiane des concentrations de 0,9 µg/ m3 et un maximum de 2,5 µg/m3, la

bien sûr des données d’entrées pour les modèles de qualité de l’air. Cependant leur élaboration, longue et coûteuse, reste extrêmement difficile pour certaines familles de polluants, et ils s’avèrent incomplets en termes de résolution temporelle et de spéciation des composés.

Pour aider à identifier les sources et 2. Ce travail répondait à l’un des objectifs du projet AEROCOV (projet ANR, 2005-2008, coordonné par Valérie Gros), « Étude expérimentale des aérosols et composés organiques volatils dans les mégapoles : quantification des interactions et des impacts ».

3. Elles ont exigé la mise en place de systèmes de mesures permettant une spéciation fine d’une large gamme de composés organiques volatils. Deux chromatographes en phase gazeuse couplés à un détecteur à ionisation de flamme (GC-FID) ont permis la mesure de nombreux hydrocarbures primaires (alcanes, alcènes, alcynes, aromatiques). En complément sur Paris, la mesure de COV fonctionnalisés (oxygénés, azotés, etc.) a été réalisée par un analyseur rapide basé sur la spectrométrie de masse (PTR/MS ou spectromètre de masse à transfert de proton), les mesures ayant été prises en charge par le Max Planck Institut (Mayence, Allemagne).

4. Un inventaire d’émission est une évaluation de la quantité d’une substance polluante émise par un émetteur donné pour une zone géographique et une période de temps donnée.

leur répartition, il apparaît donc nécessaire de disposer d’autres méthodes, telles que l’utilisation de modèles mathématiques de type « sources-récepteur ».

Le modèle utilisé dans cette étude (PMF ou Positive Matrix Factorization5) établit des relations entre les concentrations mesurées sur un site récepteur et les profils d’émissions des sources, en se focalisant sur le comportement des polluants aux sites récepteurs à partir de données issues d’observations. À partir des simulations du modèle PMF, sept principales sources de COV ont été identifiées à Paris et dix à Pékin, dont cinq se trouvent être communes aux deux jeux de données [figure 1].

Les simulations montrent que les deux mégapoles ont en commun le fait que les émissions liées au trafic automobile (les échappements automobile et l’évaporation des essences) sont la source dominante de COV (54 % à Paris et 35 % à Pékin) et

d’ozone troposphérique (64 % à Paris et 43 % à Pékin) pour les périodes considérées.

Enfin, dans les deux cas, on a pu mettre en évidence, grâce à l’étude de l’origine des masses d’air, la contribution des émissions continentales ou régionales sur les teneurs et les sources de COV.

Ainsi Paris, en conditions anticycloniques, est fortement influencée par des émissions d’Europe du Nord-Est. Pékin reçoit les émissions du bassin de la province de Hebei située au sudest, région qui concentre près de 100 millions d’habitants, de nombreuses activités agricoles, une part importante de l’activité industrielle chinoise ainsi qu’un trafic intense.

Des résultats de modèles à des questions sur les inventaires

à Paris (gauche) et à Pékin (droite)

90%

Comb. bois 2% Bio. + Evap. 7% Locale 11%

80% 70% 60%

Pékin Comb. bois 1% Bio. + Evap. 8% Locale 4%

100% 90%

Bio.+Evap. 4 % Solvant 9 %

Solvant 14%

80%

Gaz nat. 10%

Gaz nat. 8%

70%

GPL 14%

Evaporation 13%

60%

Solvant 12% Gaz nat. 14%

50% 40%

50% Evaporation 24%

30%

54%

Echap. auto 51%

20% 10%

Bio.+Evap. 9% Solvant 10% Gaz nat. 8%

30%

GPL 13%

Industries 28%

Evaporation 20% Evaporation 16%

20%

Echap. auto 30%

10%

0%

43%

35% Echap auto 19%

Echap auto 23%

Contrib source

PFO

0%

Contrib source

PFO

sion avait déjà été révélée dans d’autres villes européennes (Niedojadlo et al., 2007 ; Lanz et al., 2008), ce qui laisse entrevoir un problème récurrent des inventaires d’émissions pour la source « usage de solvant ».

données, bien évidemment, mais en contrepartie, la cohérence imposée par les modèles force à détecter des failles dans des données que l’on croyait robustes.

Conclusions

Industries 17%

40% 64%

surestimation des émissions de solvants dans l’inventaire actuel. Cette conclu-

Ce type d’étude peut aider à orienter les discussions autour des politiques d’amélioration de la qualité de l’air à Paris et à Pékin et, de ce point de vue, malgré leur contraste en termes de nature des sources et des polluants, les deux villes ont des caractéristiques communes : nécessité d’une coordination des efforts à des échelles locales et régionales, et fort impact des émissions liées au trafic routier. >>>

 Répartition par type de sources des émissions de COV et d'ozone

100%

(élaboré par AIRPARIF)6. Ce dernier indique en effet que les principales émissions de COV sur Paris sont issues de l’utilisation de solvants alors qu’elles proviennent majoritairement du secteur des transports dans notre étude (certes réalisée sur une période de temps limitée), suggérant une nette

Ce résultat est une bonne illustration du jeu compliqué, en sciences, entre modèles et données : pas de modèles fiables sans

La comparaison des résultats aux données d’inventaire d’émissions met en évidence pour Paris une importante différence entre nos résultats et les données issues

Paris

du dernier inventaire d’émissions locales

5. Cf. « Pour en savoir plus » : Paatero and Tapper, 1994.

6. En 2008, un travail de mise à jour du cadastre des émissions en Ile-de-France a été réalisé — sur les données 2005 — dans le cadre des travaux du plan régional de la qualité de l’air piloté par la Région (source : Airparif, cf. « Pour en savoir plus »).