La qualité de l’air durant la crise du Coronavirus

En cette période de crise sanitaire, notre activité a été fortement réduite. Les secteurs économiques, industriels et également routiers furent, pour la plupart, figés du jour au lendemain.

Ce phénomène exceptionnel nous offre un objet d’étude particulièrement singulier d’un point de vue environnemental, notamment sur la qualité de l’air extérieur.

Quelles sont les conséquences de cet arrêt ? Comment se porte la qualité de notre air durant le confinement ? A quel point les sources des polluants sont impactées par le décret de mars 2020 ?

Face à cet épisode sans précédent, nous avons réalisé des mesures sur 5 polluants réglementés en qualité de l’air extérieur que nous vous présenterons dans cet article, à savoir le SO2, le NO2, l’O3 et la pollution particulaire (PM2,5 et PM10).

Au travers de cette étude, nous vous présenterons, tout d’abord, ces différents polluants connus en air extérieur mais également une partie des mécanismes chimiques qui les régule.

Par la suite, notre but sera d’observer et de commenter les concentrations enregistrées par notre matériel de prélèvement et d’étudier ainsi l’impact des facteurs économiques sur la qualité de l’air.

Nous souhaitons comparer la qualité de l’air extérieur en période de confinement à une période hors confinement (nouvelle campagne à venir quand les activités seront redevenues normales), ce qui fera l’objet d’un deuxième article.


Zone d’étude et matériel

Notre société qui constitue notre point de prélèvement est située à Nanterre, à la limite de Rueil Malmaison. C’est une zone urbaine et industrielle, à proximité des autoroutes A 86 et de la A14.


Figure 1: Emplacement du point de prélèvement

Les mesures ont été effectuées à l’aide d’une balise connectée ECOSMART d’ECOMESURE.

Figure 2: Balise ECOSMART

Les caractéristiques de cette balise sont présentes dans l’annexe 1. Les mesures ont été lancées le 08 avril 2020 et sont actuellement toujours en cours d’enregistrement. Néanmoins, seuls les 10 premiers jours ont été traités dans cet article. La période du 8/04 au 18/04 fut une période de confinement particulièrement calme, du moins dans notre secteur d’analyse. Enfin dans cet article, nous parlerons de polluants troposphériques car les mesures ont été réalisées à la surface de la terre, donc dans la zone appelée la troposphère.

Figure 3: les différentes couches atmosphériques enveloppant la Terre

Nous allons maintenant présenter et expliquer les mécanismes basiques de formation de chaque polluant de manière simplifiée afin que tous puissent comprendre les origines de ces polluants, leurs interactions avec l’atmosphère, leurs évolutions et leurs impacts sur notre santé et notre environnement.


Les oxydes d’azotes appelés NOX (NO, NO2)

Les NOx regroupent la famille des molécules NO (oxyde d’azote) et NO2 (dioxyde d’azote).

Ils sont suivis de manière réglementaire dans le cadre de la surveillance de la qualité de l’air car ils ont un impact sanitaire et environnemental.

En effet, d’après le rapport de l’ANSES (Agence Nationale de Sécurité Sanitaire de l’Alimentation, de l’Environnement et du Travail), des effets sur le système respiratoire peuvent être déclenchés par une exposition sur le court et sur le long termes à ces polluants.

Les NOX impactent également l’environnement car le NO2, réagissant avec le radical libre OH présent dans l’atmosphère, peut former du HNO3 plus connu sous le nom d’acide nitrique.

Ceci conduit à la formation de pluies acides, abimant la végétation, les cultures, les monuments….

Conséquence des pluies d’acide

arbres-pluies-acides
Figure 4: Conséquence des pluies acides Mort de la végétation

 

statue-pluies-acides
Altération sur les monuments

Formation des NOX dans la troposphère

La source la plus connue des Nox en Ile de France est le trafic automobile.

Les secteurs résidentiels et industriels émettent également ces polluants, de même à plus faible échelle, des phénomènes naturels tels que les éclairs produisent des oxydes d’azotes dans l’air.

Le NO est issu du phénomène de combustion. Le NO réagit ensuite avec l’ozone (O3) troposphérique pour produire le NO2 comme cela est présenté dans l’encadré ci-dessous :

 

Et inversement, le NO2 le jour va réagir à son tour avec les photons (Hv) de la lumière du soleil pour se photodissocier et reformer de l’ozone :

Figure 5: Réaction de photodissociation du dioxyde
d’azote

 

Situation de jour : équilibre dynamique entre NO, NO2 et O3

Le NO est ce qu’on appelle un polluant primaire ce qui signifie qu’il est directement émis par sa source (par exemple véhicule) sans être le fruit d’une ou plusieurs réactions chimiques.

Il est donc retrouvé à l’endroit même de la source, à l’endroit même d’où il est émis.

pollution automobile

Néanmoins, le NO a une durée de vie très faible (temps de vie d’environ 1s). Il ne présente donc pas, à proprement parler, de risque pour la santé du fait de sa rapide transformation en NO2.

Le NO2 est le polluant secondaire du NO et a un temps de vie plus long (1 jour environ).

On le retrouve donc également proche de la source de son polluant primaire mais peut également être transporter à quelques kilomètres de distance de la source du polluant.

Sur ces données issues de AIRPARIF représentant les concentrations en NO2 dans l’air, nous voyons se dessiner les voies routières, lieu d’émission du NO et donc du NO2.

Les concentrations en NO2 sont également élevées à proximité des routes diffusant la pollution.

carte-airparif
Figure 6: AIRPARIF – Diffusion du NO2

La moyenne annuelle en fond urbain est de 20 µg/m3 contre 42 µg/m3 à proximité du trafic routier.

Le seuil de recommandation et d’information est de 200 µg/m3 et le seuil d’alerte de 400 µg/m3 en moyenne horaire.

Maintenant que nous en savons un peu plus sur l’origine des NOX, voyons les données enregistrées par notre balise.

Evolution du NO2  sur la durée de la campagne

Même en période de confinement, la valeur guide annuelle est dépassée à certains moments de la journée / semaine. En revanche, nous sommes bien en deçà de la valeur guide journalière.

Zoomons sur 24 heures enregistrées afin d’avoir une idée plus précise de l’évolution de ce polluant dans la troposphère.

Grâce à ce graphique, nous mettons en avant 3 principales observations :

Evolution du NO2 le vendredi 10 avril 

1ère observation : il y a 2 fortes augmentations de la concentration de NO2. Une première fois le matin entre 7h et 9h (cette concentration dépasse notamment la valeur guide annuelle de 40µg/m3) puis et une seconde fois en fin de journée à partir de 19h. 2ème observation : une chute des concentrations entre 10h et 19h. 3ème observation : une concentration restant relativement élevée la nuit (de minuit à 7h du matin).

Afin de bien comprendre cette forte concentration de NO2 le matin et la nuit, il faut se tourner vers une nouvelle notion : celle de la couche limite atmosphérique (CLA).

La hauteur de la couche limite atmosphérique représente la couche de l’atmosphère directement en contact avec la surface terrestre jusqu’à la base des nuages.

Figure 7: Zone grisée : couche limite

La couche limite est la zone dans laquelle nous vivons donc là où la concentration en polluant nous intéresse tout particulièrement.

Connaître la hauteur de la couche limite est essentielle pour expliquer les concentrations des polluants dans l’air ambiant.

Plus la couche limite est basse (proche du sol) plus le volume d’air présent est faible.

Cette couche limite est influencée par l’augmentation de la température (du sol et de l’air).

Plus la température va s’élever, plus la couche limite va monter comme sur le schéma suivant :

Figure 8: Schématisation de l’évolution journalière de la couche limite

Interprétation de notre graphique :

La variation journalière des NO2 présente deux augmentations : une le matin et une le soir qui correspondent aux heures du trafic.

Néanmoins, on constate que l’augmentation du matin est plus importante que celle de l’après-midi (dépassant même la valeur guide annuelle). Ceci est due à la couche limite.

  • En effet, le matin entre 6h et 9h, la couche limite est encore basse. Le volume de mélange est plus faible ce qui crée un phénomène de sur-concentration du polluant durant ces heures.
  • L’après-midi en revanche, on note les concentrations en NO2 les plus faibles grâce à la mise en place des réactions photochimiques (transformation du NO2 en NO de la figure 5) et à l’augmentation de la hauteur de la couche limite, créant un phénomène de dilution du polluant
  • La nuit, il n’y a plus de réaction photochimique car il n’y a plus de soleil. La transformation du NO2 et NO n’est donc plus possible. Cela va créer un phénomène d’accumulation du NO2 dans la couche limite. De plus, la température rechutant, cela va baisser à nouveau la hauteur de la couche limite, conduisant à une concentration des polluants dans ce plus petit volume.

Ces concentrations en NO2 dans la troposphère sont-elles si différentes entre une période de confinement et une période hors confinement ? Si oui, à quel point le trafic en temps « normal » pollue-t-il l’air autour de notre entreprise à Nanterre ?

Seule une étude en déconfinement pourra nous éclairer sur le sujet….


Découvrons ensemble désormais l’ozone (O3)

Comme dit au début de cet article, nous sommes dans la troposphère. Il ne faut pas confondre l’ozone de la couche protectrice dans la haute atmosphère (stratosphère) qui n’est pas un polluant, avec celui qui l’on retrouve au niveau du sol et qui est l’un des principaux polluants photochimiques.

Pourquoi s’intéresser à l’ozone troposphérique ?

L’ozone troposphérique est suivi de façon réglementée car il a un impact sanitaire.

En effet, à d’importantes concentrations, l’ozone devient un gaz irritant par ses propriétés oxydantes, pouvant induire des problèmes respiratoires tels que de l’asthmes, des maladies respiratoires et des irritations pulmonaires.

Certes, ce polluant touche les humaines mais également les plantes. Ce pouvoir oxydant peut conduire à la nécrose des feuilles, ce qui conduit à la réduction de la photosynthèse de ces dernières.

La pollution à l’ozone (O3) a ainsi un impact sur l’agriculture et sur les rendements des certaines cultures comme le blé, le soja et la tomate qui sont des plantes particulièrement sensibles à l’ozone.

Pour pouvoir contrôler la concentration de l’ozone dans l’atmosphère, il faut en comprendre ses mécanismes de formation. Ceci passe par l’étude de ses polluants précurseurs et par l’effet du rayonnement lumineux car il est issu de réactions appelées photochimiques.

Formation de l’Ozone dans la troposphère :

L’ozone n’est pas un polluant aisé à réguler car c’est un polluant secondaire.

Alors qu’un polluant primaire est directement émis par une source donnée (voiture, usine, végétation…), un polluant secondaire n’est, à contrario, pas produit directement en tant que tel, mais se forme lorsque d’autres polluants (polluants primaires) réagissent dans l’atmosphère.

Nous allons vous résumer le mécanisme de formation afin de comprendre une partie des concentrations enregistrées par notre balise. Attention cependant, la formation de l’ozone dépend de nombreux facteurs, rendant ce polluant difficile à contrôler. Toute la science autour de l’ozone (ses mécanismes, ses évolutions…) ne sera pas décrite dans cet article.

Les précurseurs de l’ozone :

  • Les COV
  • Les Nox
  • Les photons UV (hv) du soleil

1ère étape :

La Conversion NO2 en NO induit la production d’ozone.

2ème étape :

Les COV émis par des sources polluants induisent la formation des radicaux peroxyles RO2 (oxydant)

Le radical peroxyle va alors lancer le cycle des NOX avec le NO nouvellement formé lors de la 1er étape.

3ème étape :

Les COV émis par des sources de polluant induit la formation des radicaux peroxyles RO2.

 

Ces 3 étapes retracent les 3 phases importantes pour comprendre le mécanisme global de la formation d’ozone.

La fabrication de l’ozone, qui est un polluant secondaire, va dépendre de son environnement et de la concentration en ses précurseurs que sont les NOX et les COV. Plus la concentration en NOX est élevée, plus le rapport COV/NOX est bas, moins la production d’ozone sera importante.

Cause de l'augmentation de l'ozone dans l'air
    • [COV] fort
    • [NOX] fort
    • [COV] / [Nox] fort
    • La production en ozone est importante.
 

 

Cause de la diminution de l'ozone dans l'air
    • [COV] faible
    • [NOX] faible
    • [COV] / [Nox] faible
    • La production en ozone est faible
Ainsi dans les centres urbains, la pollution en ozone y est très faible, contrairement aux zones rurales et périurbaines. Ce qui est mauvais pour les végétaux.

En revanche, dans une zoqne où on trouve peu de NOX, alors le rapport COV/NOX sera élevé et la production d’ozone sera importante.

Maintenant que vous connaissez la base de la chimie de l’ozone, voyons les résultats fournis par notre balise.

Les données du 8 avril au 17 avril seront présentées :

Evolution du O3  sur la durée de la campagne

Au premier abord, on observe des cycles journaliers de l’ozone

Les concentrations ne dépassent pas les valeurs guides. Nous sommes bien en dessous de la moyenne journalière sur 8h recommandée par la norme Française et Européenne. 

Zoomons sur les 48h premierères heures pour en comprendre davantage :

Evolution de l’Ozone sur 48h

1ere observation : L’ozone est produit entre 9h et 20h30. Elle n’est
produite que durant le jour.
2ème observation : Bien que nous soyons en période de confinement,
les véhicules continuent à circuler. Des Nox sont émis.
3ème observation : La nuit, il n’y a plus d’ozone dans l’air au niveau de
notre point de prélèvement.=

Ces 3 observations nous renvoient à l’étape 1 de la formation de l’ozone

Interprétation de notre graphique :

La journée, le NO2 et les rayonnements du soleil produisent de l’ozone. La nuit en revanche, nous n’avons plus de production d’ozone. Cela fait donc diminuer la concentration en ozone ou du moins la stabilise. Alors pourquoi chute-elle à 0µg/m3 en moyenne ?

  • Car, en plus de l’arrêt de production d’ozone par l’absence du soleil, la nuit l’ozone va sédimenter au sol (phénomène de dépôt). Cela va faire chuter la concentration en O3 dans l’air proche du sol.

Le NO est toujours produit par le trafic de la ville la nuit, or comme vu dans l’étape 1 

L’ozone est « utilisé » par le NO des véhicules circulant la nuit. C’est pourquoi en ville, la concentration en ozone avoisine les 0µg/m3.

Le Dioxyde de soufre (SO2)

Pourquoi s’intéresser au dioxyde de soufre ?

D’après l’ANSES, sur le long terme, le SO2 conduirait à des problèmes respiratoires, à des problèmes sur la reproduction et également favoriserait cancers.

Sur le court terme, il pourrait donner lieu à l’accroississement des symptômes asthmatiques chez les personnes les plus sensibles.

En plus de l’impact sanitaire, le SO2 conduit également à la production de H2SO4, autrement appelé acide sulfurique, ce qui déclenche la retombée de pluies acides. Cela conduit à la destruction de récolte, et à l’acidification des sols.

Quelles sont les sources majoritaires de SO2 dans l’atmosphère ?

Les sources primaires de composés soufrés sont multiples mais elles proviennent en majorité :

  • De sources anthropiques. Le SO2 est issu de la combustion de charbon et de fioul. Ce polluant est majoritairement émis par les industries, le secteur énergétique (usine thermique) mais également par le secteur tertiaire l’utilisation du chauffage. Le SO2 provient également de l’utilisation de minéraux sulfatés (engrais).
  • De sources naturelles, comme par exemple les éruptions volcaniques et les océans

Pour diminuer la concentration de SO2 dans l’air, le Protocole de Montréal a été mis en place en 1988. Des systèmes de nettoyage des fumées furent installés pour limiter l’émission de ce polluant.

Le développement de l’essence désulfurisé fut également appliqué etc… Grâce à ces actions, la concentration en SO2à diminuer de près de 20 fois entre aujourd’hui et les années 1950.

Données de notre balise

Pour étudier ces concentrations, nous nous sommes basées sur 4 valeurs guides :

  • La moyenne journalière Française, à ne pas dépasser plus de 3 jours par an : 125µg/m3
  • La moyenne horaire Française à ne pas dépasser plus de 24 fois/an : 350µg/m3
  • Objectif de la qualité de l’air en moyenne annuelle : 40µg/m3

Evolution du SO2  sur la durée de la campagne

Contribution par secteur aux émissions de dioxyde de soufre en Île de France pour l’année 2010.

Comme pour l’ozone, il y a un cycle qui se dessine entre les heures d’enregistrement de nuit et de jour.

Nous constatons que les concentrations en SO2 sont toutes bien inférieures aux valeurs guides journalières et horaires définies par la réglementation Française. Elles sont également inférieures aux objectifs annuels de la qualité de l’air de 40µg/m3.

Cependant, l’OMS (Organisation Mondial de la Santé) a également défini une valeur guide quant à la concentration de SO2 : la moyenne horaire recommandée par l’OMS pour 24h : 20µg/m3.

 
Rapport de l’Anses

Les travaux de l’OMS sont actuellement en cours de révision (2016) pour notamment les expositions à très court terme (10 min) et à court terme (24 heures).

Evolution du SO2  sur la durée de la campagne

Chaque jour étudié montre des augmentations de concentration en SO2 dépassant les 30µg/m3. Ceci passe la préconisation de l’OMS (2005) mais reste sous l’objectif de la qualité de l’air Française.

Nous allons maintenant observer une évolution en SO2 sur les premières 48h :

Nous observons des augmentations de SO2 uniquement la nuit. Le SO2 est un polluant primaire, c’est-à-dire qu’il est émis près de sa source et ne dépend pas de réaction chimique complémentaire. Au vu de notre localisation, cela peut correspondre à deux types d’activité :

Evolution du SO2 sur 48h

  • Le chauffage urbain des secteurs tertiaires fonctionnant davantage la nuit que le jour.
  • Des centres de traitement des déchets, industries (etc…) pourraient relâcher potentiellement ce polluant la nuit.

Les Particules / Aérosols :

Qu’est-ce qu’une particule et pourquoi s’y intéresser ?

Un aérosol : c’est une particule solide et/ou liquide en suspension dans un gaz, dont la vitesse de chute (sédimentation) est négligeable. En toute rigueur, l’aérosol est un système diphasique formé par des particules et le gaz porteur.

Mais dans la pratique, « aérosol » est souvent synonyme de « particule » (associé à sa phase particulaire). Souvent on « oublie » la phase gazeuse l’entourant qui est pourtant en interaction permanente avec les particules.

A partir de quelle taille considère-t-on être en présence d’un aérosol ?

Les aérosols se situent dans une gamme de diamètre située entre 3nm (10 -9 m) et 30µm (10-6m) (au-dessus, cette dernière sédimente et n’est donc plus une particule en suspension).

En environnement extérieur, les PM2,5 et les PM10 sont suivies de façon réglementaire. Les PM2,5 représente les particules dont le diamètre aérodynamique est inférieur ou égal à 2,5µm alors que le diamètre aérodynamique des PM10 est égal ou inférieur à 10µm.

Impact sanitaire 

Depuis plusieurs années, de très nombreuses études toxicologiques et épidémiologiques ont établi la nocivité des particules pour la santé.

Une exposition chronique (sur de longue période) contribue à l’augmentation du risque de développer des maladies cardiovasculaires et pulmonaires d’après l’OMS.

Plus les particules ont une petite taille, plus elles peuvent passer la barrière air/sang.

Elles peuvent également transporter des substances toxiques telles que les métaux lourds.

Des valeurs guides annuelles et journalières ont été mises en place pour ces deux gammes de particules :

PM2,5

Valeur annuelle : 20µg/m3

Valeur journalière : 10 µg/m3

PM10

Valeur annuelle :  40 µg/m3

Valeur journalière : 50 µg/m3

La formation d’une « particule »

Il y a deux types d’aérosol :

  1. Les Aérosols primaires : directement émis dans l’atmosphère par action mécanique (érosion, le vent) dont font parties les particules désertiques, le pollen, le sel de mer, les particules issues du processus de combustion….
  2. Les Aérosols secondaires : générés par transformation atmosphérique tels que les aérosols de sulfate et de nitrate… Ces particules sont produites grâce à 3 mécanismes de formation qui sont la nucléation, la condensation et la coagulation. Ces aérosols sont issus de précurseurs gazeux se transformant en particules grâce au phénomène de l’oxydation.

Les aérosols secondaires représentent environ 30% des PM10 et 45% des PM2,5 mesurés en air ambiant (source AIRPARIF)

Observation des données par la balise :

evolution-particules-duree-campagne

Tout d’abord, on observe une très forte corrélation entre l’évolution des PM2,5 et des PM10. Cela permet de montrer que les deux gammes de particules étudiées peuvent être très probablement issues de la même source de pollution.

Nous observons également un cycle journalier des particules PM2,5 et PM10

Un pic important de particules a été enregistré le 13/04 à 9h30 à 10h : Ce dernier sort du rythme cyclique d’émission de particules comme pour les restes des 9 jours étudiés. Ils peuvent être issus d’une source ponctuelle à proximité du capteur (cigarette, véhicule en stationnement …). 

1ère observation : même en période de confinement, les PM2,5 et les PM10 dépassent leurs valeurs guides annuelles. Ce dépassement est réalisé vers 5h30 du matin atteignant un pic de 39µg/m3 à 7h20

2ème observation : les concentrations chutent dans la journée jusqu’à 19h où une nouvelle augmentation est visible. Cette dernière ne dépasse cependant plus les valeurs guides annuelles pour les 2 gammes de polluants étudiés. 

3ème observation : ces observations sont très similaires à celle observées pour l’évolution journalière des NOX ce même jour

Interprétation de notre graphique :

On peut donc également émettre l’hypothèse que les particules enregistrées par notre balise correspondraient au trafic urbain pour les PM2,5 et PM10.

En effet, les voitures partant sur le trajet du travail tôt le matin, quand la couche limite est encore basse, émettent des polluants dans un petit volume : cela crée une forte concentration de polluants. Dans la journée, la couche limite monte, ce qui a pour effet de diluer les particules (baisse de la concentration) et la source est également moins présente (=moins de voitures circulant entre 9h20 et 19h).

L’augmentation en fin de journée correspond à la reprise de l’activité de la source de particules (les voitures rentrent du travail).

Regardons l’évolution de la pollution particulaire le week-end de confinement.

Ce schéma se répète également durant les week-ends mais les amplitudes d’augmentations des polluants le matin et le soir sont nettement moins importantes.

En effet, en période de week-end, nous voyons que les valeurs guides annuelles ne sont pas dépassées, même le matin.


Conclusion

Actuellement, les concentrations en polluants extérieurs au niveau de notre point de mesure correspondent presque tous à l’objectif de la qualité de l’air.

Seuls les NOX et les particules continuent à présenter des concentrations en polluants importantes tôt le matin, par l’activité humaine et aux températures fraiches maintenant la couche limite à une hauteur basse.

Les concentrations d’ozone sont basses car sont consommées par les importantes concentrations de NOX présentes dans les villes.

trafic-urbain

Cependant, il serait intéressant de comparer les concentrations d’ozone actuelles à celles hors confinement.

Ces concentrations en ozone seront-elles davantage réduites à la suite de l’augmentation significatif des NOX (reprise à la normale du trafic) ?