Caractérisation des aérosols organiques à Beyrouth, Liban

Depuis plusieurs décennies, l’impact de la pollution de l’air sur la santé et sur le changement climatique a été largement étudié. Plusieurs épisodes de pollution, qui ont eu lieu en différents endroits, ont causé de graves problèmes sanitaires et environnementaux. Deux types d’épisodes de pollution peuvent être distingués, correspondant tous les deux à un « smog » (contraction de « smoke » et « fog », c’est-à-dire une brume épaisse provenant d’un mélange de polluants atmosphériques gazeux particulaires qui limite la visibilité dans l’atmosphère) : le grand smog de Londres du 5 au 9 décembre 1952, qui a engendré plus de 4000 morts (Sportisse, 2008), causé principalement par la combustion du charbon et donc l’émission du dioxyde de soufre et de particules et le smog photochimique de Los Angeles causé par la formation de polluants secondaires et qui a été perçu la première fois en 1943 (AQMD, 2012). Ce second type de smog, qui est le plus courant, actuellement dans les grandes villes, est dû à la réaction des oxydes d’azote qui réagissent avec des hydrocarbures en présence du soleil produisant un mélange nocif de gaz et de particules. Aujourd’hui, le problème de la qualité de l’air s’est aggravé suite à l’augmentation de la population vivant dans les zones urbaines, qui a atteint 49 % de la population mondiale en 2005, comparé à 3 % dans les années 1980 (UN, 2007). Par ailleurs, les sources de pollutions liées à la production industrielle et l’utilisation des transports (routier, maritime et aérien) ont elles aussi augmenté. Par conséquent, les émissions anthropiques de gaz et de particules provenant de la combustion de carburants fossiles et de la biomasse n’ont cessé de croître (IPCC, 2007).

Face à ce problème, la mise en place des politiques publiques de gestion de la qualité de l’air est devenue un enjeu majeur dans les pays développés. Des réglementations ont été mises en place en Europe et aux États-Unis afin d’améliorer la qualité de l’air et de limiter les impacts nocifs sur la santé publique et sur l’environnement. Les aérosols atmosphériques, qui ont un impact important sur le changement climatique et sur la santé humaine, se trouvent au cœur des problèmes engendrés par la pollution de l’air. Les aérosols constituent un système très complexe ; ils sont formés d’une multitude de composés organiques et minéraux émis de plusieurs sources primaires (e.g., combustion de combustibles fossiles, combustion de la biomasse, éruptions volcaniques….) et secondaires (e.g., oxydation des composés organiques volatils (COV) suivie de condensation augmentant la masse particulaire, formation des sulfates, nitrates et ammonium par réaction chimiques à partir de gaz précurseurs…). Ils contiennent des composés très toxiques pour l’homme et les animaux tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et les polychlorures biphénylés (PCB). Des études récentes ont montré que les HAP sont des substances cancérigènes pour l’homme par inhalation même à des concentrations très basses (Gammon et al., 2004), notamment en tant que particules fines (dont le diamètre aérodynamique est inférieur à 2.5 µm) qui ne sont pas filtrées par l’appareil respiratoire supérieur. En ce qui concerne le changement climatique, les aérosols exercent un forçage radiatif : (i) positif puisqu’ils contiennent des substances comme le carbone élémentaire qui absorbent le rayonnement et donc contribuent au réchauffement climatique et (ii) négatif car les particules diffusent le rayonnement et peuvent donc contribuer au refroidissement de la planète. Par ailleurs, ils sont impliqués dans la formation des nuages en agissant comme noyaux de condensation aboutissant à leur formation.

Ces dernières années, plusieurs études se sont concentrées sur les aérosols et plus spécifiquement sur les aérosols organiques dont les processus aboutissant à leurs formations sont très mal appréhendés (Hallquist et al., 2009). En effet, l’estimation de leurs implications dans le changement climatique et la qualité de l’air reste un enjeu majeur. Dans ce contexte, de nombreuses techniques analytiques ont été développées pour la mesure des aérosols organiques au niveau des sources afin de permettre le développement de stratégies de réduction des émissions (Fine et al., 2004, Robinson et al., 2006, Schauer et al., 1999) et par l’intermédiaire de campagnes de mesures de terrain intensives qui permettent la caractérisation de la pollution de fond. En revanche, au niveau de la spéciation moléculaire, moins de 20% de la masse des aérosols organiques peut être identifiée jusqu’à présent (Hamilton et al., 2005). Un défi majeur réside donc dans l’identification d’une technique analytique qui permettra la spéciation de la majorité de la masse des aérosols organiques. Les mesures de polluants atmosphériques dans l’air ambiant sont essentielles pour la surveillance de la qualité de l’air et pour documenter l’efficacité des stratégies de réduction des émissions adoptées. Par ailleurs, les mesures sont nécessaires pour obtenir une meilleure compréhension du fonctionnement du système atmosphérique et des mécanismes aboutissant à la formation des polluants. De plus, les mesures sont nécessaires pour évaluer les modèles de chimie-transport (CTM).

Ces modèles sont utilisés pour des études d’impacts et de prospectives, ainsi que pour la prévision de la qualité de l’air à court terme. Ils sont aussi utilisés dans le cadre d’études de prospectives pour évaluer l’effet de l’application de stratégies de réductions des émissions sur les concentrations des polluants. Ces modèles couplés à des modèles météorologiques résolvent l’évolution de la concentration des polluants émis par des sources primaires anthropiques et biogènes au moyen de l’équation d’advection-diffusion-réaction (Sportisse, 2008). Ils utilisent comme données d’entrée des cadastres d’émissions avec une résolution spatiale et temporelle. Cependant, ces cadastres d’émissions présentent des incertitudes, qui peuvent être importantes pour certains polluants. Ces modèles ont été améliorés ces dernières années pour le traitement des aérosols organiques, mais, étant donné la complexité de cette fraction particulaire, la modélisation des aérosols organiques présente encore aujourd’hui de grandes incertitudes (Hallquist et al., 2009). Avant d’utiliser ces modèles non seulement pour la prévision de la qualité de l’air, les études d’impact, et de prospective, mais aussi pour la compréhension des mécanismes aboutissant à la formation de la pollution atmosphérique, il est essentiel que les sorties de ces modèles soient évaluées en termes de concentrations de polluants à l’aide de mesures in-situ. Ces mesures sont obtenues ponctuellement à l’aide d’appareils de mesures qui font partie d’un réseau de surveillance ou qui sont déployés lors de campagnes intensives caractérisant des épisodes de pollution.

Les modèles de chimie-transport et les mesures de la pollution in-situ sont donc des outils indispensables et complémentaires pour la surveillance et le maintien d’un système de gestion de la qualité de l’air et pour l’amélioration de notre compréhension des mécanismes de formation de ces polluants. Les aérosols organiques ont été mesurés et modélisés dans divers endroits du monde, en particulier, en Europe, aux États-Unis, en Asie et en Afrique. Au Moyen-Orient et plus spécifiquement à l’est du bassin Méditerranéen, ce type d’études n’existe pas (ou peu) jusqu’à présent. Cette région fortement ensoleillée qui se trouve à l’intersection de trois continents (l’Afrique, l’Europe et l’Asie) a connu de graves épisodes de pollution avec des concentrations en dioxyde d’azote (NO2) qui dépassent 93 ppb (Afif et al., 2009) et des concentrations d’ozone (O3) qui dépassent 80 ppb (Smoydzin et al., 2012). Ces épisodes résultent de sources d’émissions locales, de transport de polluants importés de longues distances et de conditions météorologiques propres à la pollution atmosphérique (Afif et al., 2008). Par conséquent, la caractérisation de polluants secondaires tels que l’ozone et les aérosols, et plus spécialement les aérosols organiques secondaires, reste un défi majeur (Jimenez et al., 2009).

Le Liban, situé au Moyen-Orient au bord de la mer Méditerranée, représente un bon exemple pour étudier la pollution due aux aérosols et plus spécialement les aérosols organiques. Ce pays fortement ensoleillé, qui se caractérise par un climat Méditerranéen représente un bon endroit pour étudier la pollution atmosphérique. Etant donnée l’absence de réseaux ferroviaire et de transport en commun bien adapté, les citoyens n’ont pas d’autre choix que d’utiliser leur propre véhicule. D’après une étude effectuée par le ministère de l’environnement libanais (MoE UNDP, 2011), 99 % des véhicules particuliers fonctionnent à l’essence et les émissions des COV seraient donc importantes. La caractérisation des aérosols organiques dans cet endroit est par conséquent un sujet de recherche important qui sera bénéfique pour la communauté scientifique libanaise et internationale et qui sera utile pour une meilleure gestion de la qualité de l’air. Dans ce contexte, un projet qui vise à caractériser le carbone organique à Beyrouth (la capitale du Liban) a été lancé en septembre 2009. Ce projet consiste à mesurer et à modéliser entre autres les aérosols organiques dans la ville de Beyrouth durant deux campagnes de mesures, une estivale en juillet 2011 et une hivernale en février 2012.

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Table des matières

Introduction générale
Partie I- Sources d’émissions et processus de formation
1. L’aérosol atmosphérique
2. Impacts des aérosols sur le climat, la visibilité et la santé
2.1 Forçage radiatif
2.2 Visibilité
2.3 Impacts sanitaires
3. Sources d’émissions
3.1 Sources de particules primaires
3.1.1 Sources naturelles
3.1.2 Sources anthropiques
3.2 Formation à partir de précurseurs
3.2.1 Précurseurs naturels
3.2.2 Précurseurs anthropiques
4. Granulométrie et composition chimique des particules
4.1 Granulométrie des particules
4.2 Composition chimique
4.2.1 Fraction minérale
4.2.2 Fraction organique
4.3 Le carbone organique
4.4 Le carbone élémentaire
5. Les aérosols organiques secondaires
5.1 Définition
5.3 Dynamique des aérosols
5.4 Les phénomènes observés en atmosphère réelle
5.5 Vieillissement des aérosols
5.6 Formation d’AOS en phase aqueuse
Partie II – Mesure des aérosols
1. Les principales techniques d’échantillonnage des aérosols
2. Pertes et artéfacts de prélèvement
3. Techniques analytiques
3.1 Mesures des propriétés physiques
3.1.1 Mesure de la taille des particules
3.1.2 Mesure de la masse des particules
3.2 Mesures des propriétés chimiques
3.2.1 Mesure du carbone organique et du carbone élémentaire
3.2.2 Mesure du sulfate, du nitrate et de l’ammonium
3.2.3 Mesure des métaux
3.2.4 Détermination de la composition organique
3.3 Mesure des propriétés physiques et chimiques
Partie III – Modélisation des aérosols
1. Les modèles de chimie-transport
1.1.1 Émissions
1.1.3 Les données sur l’occupation des sols
1.1.4 Conditions initiales et aux limites
1.2 Le modèle de chimie-transport Polyphemus/Polair3D
IV – Bibliographie
Conclusion générale

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