Les aérosols carbonés — un problème persistant

par Karl Espen Yttri*, Cathrine Lund Myhre* et Kjetil Tørseth*

Introduction

Il est essentiel de parvenir à déterminer précisément la nature des aérosols présents dans l’atmosphère, car ces particules ont un impact sur la santé et influent sur le bilan radiatif de la Terre et, par conséquent, sur la température en surface. Les mécanismes en jeu font encore l’objet de recherches. Nous ne connaissons pas non plus parfaitement les sources et les puits de ces matières, ni l’ensemble de leurs propriétés physiques et chimiques.

Les plus graves lacunes concernent les aérosols carbonés que les scientifiques étudient pourtant avec intérêt depuis 15 à 20 ans. Cela s’explique en partie par la multitude d’espèces qui interviennent dans leur formation et leur transformation, ainsi que par l’impossibilité de parvenir à une caractérisation qualitative et quantitative complète avec les outils d’analyse dont nous disposons. Nous manquons aussi de données sur les émissions atmosphériques de particules primaires et de précurseurs gazeux des particules secondaires.

Pratiquement tous les aspects des aérosols carbonés exigent davantage de recherches. Après une rapide description de leurs principaux effets sur la santé et le climat, nous analyserons ici les lacunes à combler pour affiner les projections et nous examinerons les moyens d’y parvenir en renforçant les activités de surveillance.

Les effets sur la santé

On estime que 800 000 personnes succombent chaque année à des affections cardiovasculaires et respiratoires dues aux matières particulaires en suspension dans l’air (OMS, 2002). Même si un nombre croissant de travaux montrent que certaines particules sont plus nocives que d’autres (Hoek et al., 2002; Laden et al., 2000), l’Organisation mondiale de la santé (OMS) recommande de ne considérer qu’un seul facteur de risque pour estimer leurs effets. Les aérosols carbonés sont particulièrement visés puisqu’ils composent 20 à 70 % de la concentration massique totale.

De récentes études épidémiologiques ont établi une relation statistique entre les niveaux d’aérosols carbonés dans l’air et le nombre de consultations pour des problèmes cardiovasculaires dans les services d’urgence. L’accumulation de données sur les effets directs observés nous permettra de mieux évaluer le degré d’exposition et ses conséquences sur une large population.

Les aérosols carbonés englobent une multitude d’espèces organiques, dont la majorité n’est toujours pas identifiée. Ils renferment aussi des substances toxiques bien connues, tels les hydrocarbures aromatiques oxy et nitro-polycycliques et les polychlorodibenzodioxines/dibenzofuranes. Toutefois, la communauté scientifique débat encore sur les mécanismes de leur toxicité.

Dans une étude portant sur la nocivité des gaz d’échappement de moteurs diesel et à essence, McDonald et al., (2004) ont identifié deux catégories de matières organiques, les hopanes et les stéranes. Cette découverte aidera à préciser quelles sources et quels constituants des aérosols carbonés complexes sont responsables des problèmes pulmonaires associés à l’inhalation. Elle corrobore également les résultats d’études épidémiologiques selon lesquelles la circulation automobile serait l’une des grandes sources de pollution à l’origine de décès prématurés (Hoek et al., 2002; Laden et al., 2000; Metzger et al., 2004). Elle confirme enfin, conformément à l’avis général émis par l’OMS, le rôle majeur joué par les particules primaires issues de la combustion, car la plupart sont riches en métaux de transition et en composés organiques et présentent une surface active assez importante. Alors que nos sociétés tendent à adopter plus largement les combustibles de source renouvelable, il faut savoir que l’OMS n’établit aucune distinction entre les effets des particules qui sont dégagées par la combustion des matières fossiles et celles qui sont produites par la combustion de la biomasse (OMS, 2005).

Les effets sur le climat

Quand on étudie l’incidence des aérosols sur le climat, les plus grandes incertitudes concernent les effets des composés carbonés. On peut avancer toutefois que ces particules ont l’impact le plus marqué, en raison essentiellement du carbone noir qui absorbe le rayonnement solaire dans l’atmosphère. Selon Ramanathan et Carmichael (2008), le carbone noir serait, après le dioxyde de carbone, le facteur qui contribue le plus au réchauffement de la planète, quoiqu’il n’y ait pas d’unanimité au sein du milieu scientifique (Forster et al., 2007).

Dans les zones de fort rayonnement solaire, les concentrations élevées de carbone noir concourent à la formation des nuages bruns qui recouvrent de vastes régions du globe, en Asie notamment (Ramanathan et Carmichael, 2008). Ces systèmes obscurcissent la surface de la Terre, réchauffent l’atmosphère et perturbent le cycle hydrologique, ce qui pourrait avoir un effet sur la mousson.

Image satellite MODIS Terra montrant les incendies (points rouges) dans l’Ouest canadien le 5 juillet 2005 à 19 h 35 UTC. En gris apparaissent les panaches de fumée au-dessus de la forêt boréale en flammes.

Comme le souligne Forster (2007) dans le quatrième Rapport d’évaluation publié par le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), le carbone noir présent dans la neige a un net impact sur le forçage radiatif total en absorbant une grande quantité de lumière solaire. De plus, la couche qui recouvre la neige et la glace accélérerait la fonte des glaciers aux hautes latitudes boréales, mais aussi ailleurs sur le globe, par exemple dans l’Himalaya où le phénomène pourrait réduire l’approvisionnement en eau dans les régions fortement peuplées situées en aval.

Vu les effets prononcés du carbone noir sur le climat régional et mondial, ainsi que sa courte durée de vie (une à deux semaines) comparativement au dioxyde de carbone, plusieurs spécialistes ont conclu qu’abaisser les émissions de cette matière était le meilleur moyen de ralentir le réchauffement planétaire (Bond, 2007; Hansen et al., 2000; Jacobson, 2002), tandis qu’y mettre fin nécessitait la diminution des rejets de gaz à effet de serre. Il est donc essentiel de chiffrer et de réduire les incertitudes si l’on veut élaborer des stratégies efficaces et ciblées en la matière.

Les mesures d’atténuation ne porteront fruit que si l’on connaît mieux les sources et les propriétés physiques et optiques du carbone noir. Les traceurs, les analyses par le radiocarbone et les spectromètres de masse à temps de vol ont permis d’avancer dans la détermination des sources.

Toute réduction des émissions contribuera à atteindre les objectifs sanitaires fixés par l’OMS, puisque des études toxicologiques (Donaldson et al., 2000) ont mis à jour un lien entre certaines pathologies et l’exposition au carbone élémentaire. Quand il se trouve en surface, le carbone organique pourrait doubler à quadrupler la capacité d’absorption du carbone noir (Bond et al., 2006; Fuller et al., 1999; Jacobson, 2001, Schnaiter et al., 2005). Les aérosols de carbone organique absorbent le rayonnement ultraviolet car ils renferment du carbone brun. Ils interviennent aussi dans la formation des gouttelettes de nuage, processus que l’on ne pensait sensible qu’à la fraction inorganique des aérosols.

Les tendances futures

Il est d’autant plus nécessaire de pousser les recherches que l’on prévoit une hausse considérable des émissions d’aérosols carbonés dans les pays de forte croissance économique. En outre, le remplacement des combustibles fossiles par des énergies renouvelables en vue de réduire l’impact climatique risque de modifier radicalement la part des différentes sources de rejet dans l’atmosphère. Il est également possible que le réchauffement planétaire intensifie la formation d’aérosols organiques secondaires par oxydation de leurs précurseurs en phase gazeuse.

L’adoption de sources renouvelables abaissera la pollution par le dioxyde de carbone, mais il est difficile d’en prédire les effets sur les niveaux de particules carbonées. Selon les données de l’Agence internationale de l’énergie (AIE, 2007), près de 80 % de ces sources sont des combustibles, lesquels sont composés à 97 % de biomasse. L’AIE estimait en 2008 que la consommation de biomasse augmenterait de 200 % environ entre 2000 et 2020.

Les techniques qui seront mises en œuvre pour produire de la chaleur et de l’énergie à partir de la biomasse détermineront en grande partie les émissions futures d’aérosols carbonés. Si l’on se fie aux projections établies par l’Institut international pour l’analyse des systèmes appliqués, dans le cadre du programme CAFÉ (Air pur pour l’Europe), le chauffage domestique, au bois notamment, sera l’une des principales sources de rejet de matières particulaires et de carbone noir. Les émissions de ce type sont peu réglementées dans de vastes régions de l’Europe. De plus, les petites installations utilisées pour se chauffer au bois sont anciennes et rejettent beaucoup d’aérosols carbonés. Enfin, les poêles et les foyers résidentiels ont une durée de vie assez longue, ce qui retarde l’adoption de technologies plus propres.

Le lévoglucosane est un marqueur des aérosols carbonés libérés par la combustion du bois. Plusieurs études récentes ont mesuré des taux élevés de cette substance dans un grand nombre de milieux urbains et de zones rurales d’Europe, y compris là où l’on ne s’y attendait pas. Les propriétés physiques et chimiques des particules de fumée, qui influent sur leur toxicité, dépendent des conditions dans lesquelles a lieu la combustion du bois et des appareils qui sont utilisés. Nos connaissances en la matière sont parcellaires. Si la présence de lévoglucosane en hiver est attribuée aux appareils domestiques, les taux relevés en été sont associés aux feux de friche ainsi qu’à la combustion des résidus de la production agricole, pratique généralement interdite en Europe de l’Ouest mais courante dans d’autres régions du monde.

Les feux de friche et la combustion des déchets agricoles ont altéré à plusieurs reprises la qualité de l’air en Europe ces dernières années (Saarikoski et al., 2007; Yttri et al., 2007). Les émissions ont excédé les limites fixées pour les particules et ont parfois multiplié par près de 10 les concentrations d’aérosols carbonés. Le même phénomène a été observé dans l’Arctique (Stohl et al., 2007). On pense que les incendies qui ont ravagé la forêt boréale en été étaient la principale source de carbone noir les années d’activité particulièrement intense (Stohl et al., 2006; Stohl et al., 2007).

Les niveaux d’ozone qu’entraînerait le remplacement massif de l’essence par le bio-éthanol soulèvent certaines inquiétudes sur le plan sanitaire. Par rapport à l’essence pure, le carburant E85 (85 % d’éthanol, 15 % d’essence) pourrait accroître de 9 % les taux de cancer, de mortalité et d’hospitalisation dans une grande ville comme Los Angeles, selon les calculs effectués par Jacobson (2007).

Par ailleurs, l’oxydation de l’éthanol imbrûlé produit de l’acétaldéhyde, substance cancérogène pour l’humain. Les biocombustibles modifieront inévitablement la proportion de constituants organiques dans les aérosols carbonés. Comme leur teneur en oxygène est généralement élevée, les espèces rejetées seront plus oxygénées. Davantage de recherches devront être conduites sur cette catégorie de particules, que nous connaissons très mal à cause des limites inhérentes à nos outils d’analyse. Les composés oxygénés polaires pourraient agir comme noyaux de condensation des nuages, car ce sont les espèces les plus solubles dans l’eau.

L’affinement des méthodes de chimie analytique a permis de déterminer que les aérosols organiques biogéniques secondaires composent 60 % de la fraction organique des aérosols carbonés présents dans l’atmosphère et ce, même en milieu urbain (Szidat et al., 2006). On se doutait depuis longtemps que ces particules composaient l’une des grandes sources de production d’aérosols carbonés. Il est possible que le réchauffement du climat augmente leur concentration, sous l’effet de la hausse des émissions de composés organiques volatils biogéniques en phase gazeuse qui, après oxydation, se transforment en particules atmosphériques. De plus, leur formation pourrait être stimulée par le rythme des réactions sensibles aux températures, à mesure que se réchauffe l’atmosphère du globe. Robinson et al. (2007) suggèrent que les aérosols organiques biogéniques secondaires pourraient être plus abondants qu’on ne le pensait, à cause de l’oxydation des produits peu volatils qui s’évaporent des aérosols carbonés primaires au moment de la dilution atmosphérique. Cela signifierait que la majorité de la population est exposée à cette catégorie d’aérosols, y compris en milieu urbain. Comme l’énoncent Robinson et al. (2007), un pic local de pollution urbaine devient une source régionale d’aérosols carbonés oxydés, potentiellement hydrophiles. Il est pratiquement certain que ces matières ont sur la santé et le climat des répercussions très différentes de celles associées aux émissions primaires. On a très peu tenu compte des aérosols biologiques primaires dans l’évaluation des sources. Quelques recherches ont récemment montré que ces particules peuvent composer 30 à 40 % de la fraction organique des aérosols carbonés dans les régions où l’impact des activités humaines est modéré (Winiwarter et al., 2008 a); Winiwarter et al., 2008 b); Yttri et al., 2007). Certains aérosols biologiques primaires peuvent agir en tant que noyaux de condensation des nuages et noyaux de congélation hétérogènes et, par conséquent, intervenir dans la formation des nuages. Toutefois, il est difficile de prévoir la réaction de cette source à l’évolution du climat vu son caractère hétérogène.

Tenter d’atténuer l’élévation des températures en réduisant les émissions de carbone noir exige de cibler toutes les sources importantes, en particulier dans les régions où ces émissions ont un effet prononcé sur le climat. C’est le cas des pays asiatiques dont l’économie est en rapide expansion, telles la Chine et l’Inde, qui sont responsables de 25 à 35 % des rejets mondiaux de carbone noir (Ramanathan et Carmichael, 2008). Le nord de l’Eurasie est la principale source de pollution de la basse troposphère arctique pendant l’hiver et le printemps (Barrie et al., 1986; Sharma et al., 2006; Stohl et al., 2006). Dans l’Arctique même, les émissions doivent être réduites le plus possible étant donné leurs effets démesurés. Ce ne sera pas forcément aisé, puisque diverses activités humaines devraient s’amplifier parallèlement à la fonte des glaces de mer. L’ouverture du passage du Nord-Ouest intensifiera sans doute la navigation maritime, ainsi que l’exploration pétrolière et gazière comme on l’observe déjà dans la mer de Barents.

Les incendies qui ravagent la forêt boréale en Sibérie (Fédération de Russie), au Canada et en Alaska (États-Unis d’Amérique) pourraient être un autre facteur important. Le réchauffement planétaire devrait accroître la fréquence des feux de friche, accélérant la fonte des glaces de mer et de la neige au pôle Nord. Au printemps 2006, on a relevé dans l’Arctique un grave pic de pollution atmosphérique causé par des incendies de nature agricole en Europe de l’Est. Stohl et al. (2007) ont adroitement démontré que de nouvelles régions des latitudes moyennes avaient alors contribué au réchauffement déjà exceptionnel de l’Arctique européen. Cet épisode est peut-être un signe avant-coureur de ce qui risque d’advenir plus souvent si le pôle se réchauffe plus vite que les latitudes moyennes. Cela souligne aussi l’importance d’interdire la combustion des déchets agricoles.

Les résidus de culture constituent une réserve d’énergie neutre en dioxyde de carbone qui pourrait compléter utilement les autres sources d’approvisionnement; on gaspille cette ressource en la brûlant en plein champ. La croissance démographique, estimée à 1 % par an entre 2005 et 2030 (AIE, 2008), devrait s’accompagner d’une hausse proportionnelle de la production de denrées et, donc, de déchets susceptibles d’aggraver le problème. Le rendement de la culture du blé pourrait doubler en Ukraine, pays qui détient le plus haut potentiel européen de production de cultures énergétiques (FAO, 2003; Ericsson et Nilsson, 2006; Sciare et al., 2008). Cette source future d’aérosols carbonés n’est donc pas négligeable.

La revue Nature a publié récemment un article dans lequel Robinson et al. (2007) suggèrent que les aérosols organiques biogéniques secondaires pourraient être plus abondants qu’on ne le pensait, à cause de l’oxydation des produits peu volatils qui s’évaporent des aérosols carbonés primaires au moment de la dilution atmosphérique. Cela signifierait que la majorité de la population est exposée à cette catégorie d’aérosols, y compris en milieu urbain.

Les émissions anthropiques d’ammoniac, d’oxydes d’azote et d’hydrocarbures non saturés se sont stabilisées en Europe et en Amérique du Nord au cours des dernières décennies, tandis que les rejets de dioxyde de soufre ont considérablement baissé. De ce fait, la proportion d’espèces carbonées a augmenté relativement aux espèces inorganiques. La poursuite de cette tendance, qu’elle soit imputable à l’utilisation de combustibles fossiles ou organiques, ou à l’augmentation de la fréquence des feux de friche, rendra encore plus nécessaire l’adoption de mesures visant à réduire les émissions dans les années à venir.

Les réseaux de surveillance des sources d’aérosols carbonés

On ne dispose pas de données de surveillance à long terme (plus de 10 ans) sur les aérosols carbonés, à de rares exceptions près (Scharma et al., 2006). L’absence de méthodes normalisées d’échantillonnage et d’analyse chimique n’y est pas étrangère. Des biais majeurs risquent d’être introduits lors du prélèvement des échantillons, entraînant une surestimation ou une sous-estimation grossière de la fraction organique. La séparation de la fraction organique et de la fraction élémentaire/carbone noir présente elle aussi de grandes difficultés (McDow et Huntzicker, 1990; Schmid et al., 2001). Il serait donc hasardeux de comparer les données provenant de différents réseaux. En Europe, on s’efforce actuellement de définir un protocole commun d’échantillonnage et d’analyse chimique des aérosols carbonés en milieu rural. Ce protocole sera utilisé par les supersites qui ont été établis conjointement par le Programme concerté de surveillance continue et d’évaluation du transport à longue distance des polluants atmosphériques en Europe et par la Veille de l’atmosphère globale de l’OMM, dans le cadre du projet de supersites européens pour la recherche sur les aérosols atmosphériques (www.eusaar.org).

En 2008, aucun réseau de surveillance de la qualité de l’air ne disposait, en permanence tout au moins, des appareils de pointe nécessaires pour identifier les différentes sources d’aérosols carbonés. Il faut étendre la détermination des espèces constituantes et l’utilisation d’outils plus perfectionnés, en ligne et hors ligne. Les instruments simples et bon marché ne sauraient répondre aux exigences actuelles, qui visent plutôt à sélectionner les meilleurs sites au sein des réseaux.

Il est également possible d’organiser des campagnes ciblées, lesquelles présentent le grand avantage de conjuguer les efforts accomplis par les équipes de recherche et par les organismes nationaux. Des campagnes intensives ont été lancées récemment par le Programme européen de surveillance continue et d’évaluation, parfois en association avec le Projet européen concerté d’étude des interactions entre les aérosols, les nuages, le climat et la qualité de l’air. On procédera à des mesures précises pendant l’automne 2008 et l’hiver/le printemps 2009 afin de déterminer les sources d’aérosols carbonés. Des activités sont également conduites en Amérique du Nord dans le but de recueillir des données à long terme. Malheureusement, la couverture offerte par les sites de mesure est très limitée. L’échantillonnage est insuffisant dans la zone équatoriale, l’Asie et les régions boréales, en raison surtout d’un manque de compétences, de fonds et d’infrastructure sur place. L’augmentation des possibilités de financement des activités de transfert de capacités pourrait améliorer la situation dans les prochaines années.

De même, les capacités d’analyse se sont considérablement accrues. L’une des grandes innovations a été l’analyse des sources au moyen de traceurs, dont le carbone 14, le lévoglucosane, la cellulose, les glucides et les alcools de sucre. L’utilisation de ces marqueurs et des instruments à temps de vol améliorera certainement nos connaissances. La mesure des aérosols à l’état de particules devrait être complétée par une mesure simultanée de leurs précurseurs éventuels en phase gazeuse: composés organiques volatils biogéniques, composés organiques volatils d’origine anthropique, produits de leur dégradation et composés divers tels le formaldéhyde et le glyoxal (Simpson et al., 2007). Il est aujourd’hui possible de détecter ces derniers composants à partir de l’espace, un seul instrument permettant de connaître la répartition régionale des concentrations.

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