Par un mécanisme de nettoyage essentiel, les produits chimiques présents dans l’atmosphère terrestre s’en extraient progressivement, puis viennent se déposer en surface sur les terres et les étendues d’eau. Si ce processus est profondément bénéfique, il a également des incidences néfastes pour la santé humaine, les écosystèmes et la sécurité alimentaire. Par exemple, les pluies acides (l’acidification de l’eau de pluie par des émissions d’azote et de soufre) nuisent aux forêts, tuent des insectes et corrodent les structures métalliques industrielles. La société dans son ensemble et, plus particulièrement, les décideurs politiques s’intéressent aux effets nocifs de ces dépôts. Aussi l’OMM a-t-elle décidé de lancer une initiative consistant à combiner les modèles et les mesures afin d’évaluer les dépôts atmosphériques totaux à l’échelle planétaire.
L’évolution des émissions de polluants atmosphériques a profondément modifié les dépôts atmosphériques au cours des dernières décennies. Si nous ne comprenons pas comment ces polluants atmosphériques se déposent sur les surfaces du globe et si nous n’évaluons pas la quantité de ces dépôts, ceux-ci auront peut-être des effets imprévus, encore plus néfastes pour les sociétés humaines, les écosystèmes et le système Terre-atmosphère-océan. Nombreux sont donc les partenaires scientifiques travaillant dans le domaine des écosystèmes, de la santé humaine ou de la sécurité alimentaire qui se sont attelés, au plan national comme mondial, à mieux comprendre comment s’opéraient ces processus à toutes les échelles spatiales afin de mieux évaluer leurs effets délétères et de concevoir les mesures d’atténuation nécessaires. L’initiative «Fusion des modèles et des mesures» proposée par la Veille de l’atmosphère globale (VAG) de l’OMM permettra d’aller au-delà des limites des méthodes existantes et de les mettre pleinement à profit pour cartographier les dépôts à l’échelle mondiale.
Les dépôts atmosphériques
L’atmosphère terrestre, composée principalement d’azote et d’oxygène, est un milieu complexe. Outre ces deux principaux constituants, l’air est porteur de très divers autres gaz et particules à l’état de traces, qui proviennent de sources naturelles, des activités humaines ou de réactions chimiques au sein de l’atmosphère. Bon nombre de ces éléments à l’état de traces sont considérés comme des «polluants» en raison de leurs effets nocifs sur la santé humaine ou sur l’environnement, naturel ou bâti. Les polluants sont retirés de l’atmosphère et déposés sur les surfaces terrestres et aquatiques de la Terre par un processus connu sous le nom de dépôt atmosphérique. On distingue les dépôts humides (ou précipitations) des dépôts secs. Les dépôts secs peuvent s’opérer par sédimentation gravitationnelle des particules ou par diffusion puis transfert turbulent jusqu’à la surface et absorption par les plantes ou adsorption sur les surfaces.
Le dépôt atmosphérique est le processus essentiel d’élimination de la plupart des composés chimiques réactifs présents dans l’atmosphère. Dans de nombreuses régions, c’est le plus important des mécanismes par lesquels les polluants pénètrent dans un écosystème, et donc un processus fondamental du système terrestre.
La vitesse de déposition des polluants atmosphériques sur les surfaces de la Terre dépend de facteurs météorologiques (tels que la température, les précipitations, l’humidité et le vent), les propriétés (physiques et chimiques) des gaz ou des particules déposées, et des caractéristiques des surfaces sur lesquelles ces composés se déposent. La conjugaison de tous ces facteurs détermine combien de temps un polluant atmosphérique reste dans l’atmosphère, la distance qu’il parcourt à partir de sa source, transporté par les vents, et quelle quantité en est retirée de l’atmosphère.
Les dépôts dans la perspective des objectifs de développement durable
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Figure 1: Les effets nocifs de l’ozone sur des feuilles de haricots communs (haricot noir) augmentent avec le temps d’exposition: peu marqués au départ (image de gauche), ils s’aggravent progressivement (au centre et à droite).
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Par leurs divers effets sur système terrestre, on peut établir une corrélation entre les dépôts atmosphériques et plusieurs objectifs de développement durable (ODD) des Nations unies. Le dépôt de certains polluants atmosphériques, tels que l’azote réactif, le soufre, l’ozone, le mercure et le carbone noir, peut nuire à la santé humaine et causer de graves dommages aux écosystèmes et à la végétation. Il a donc un impact négatif sur la productivité agricole et peut exacerber les effets du changement climatique.
Le dépôt d’ozone sur la végétation, par exemple, compromet sérieusement l’approvisionnement durable en denrées alimentaires, fourrage et fibres dans le monde entier (ODD 2: Faim «zéro»). Outre sa contribution directe au forçage radiatif, l’ozone peut y contribuer indirectement par son action néfaste sur la végétation, qui réduit la productivité végétale et, par là, limite l’absorption du dioxyde de carbone et augmente la concentration de ce dernier dans l’atmosphère [ODD 13: Mesures relatives à la lutte contre les changements climatiques] (GIEC, 2013; OMM, 2018).
On estime que les dommages causés par l’ozone sur la planète entraînent chaque année des pertes économiques de l’ordre de 10 à 20 milliards de dollars des États-Unis du fait de ses effets délétères sur les cultures alimentaires de base telles que le blé, le soja et le maïs (Avnery et al., 2011). Les pertes de rendement annuel des cultures de soja, de blé, de riz et de maïs dues à l’ozone (moyenne pour la période 2010-2012) sont estimées, respectivement, à 12,4 %, 7,1 %, 4,4 % et 6,1 %, soit une perte totale de 227 Tg (Mills et al., 2018). La figure 1 illustre l’effet nocif de l’ozone sur les plantes et montre que les dommages s’accentuent si l’exposition se prolonge. Les feuilles les plus anciennes sont plus abîmées que les plus jeunes, car elles ont été exposées à l’ozone pendant une plus longue période.
Le dépôt atmosphérique de l’azote réactif a lui aussi un effet direct sur la santé des écosystèmes, la production agricole sur les terres (aménagées ou non) et le changement climatique. Il a été montré que, à des niveaux élevés, les dépôts d’azote entraînent l’acidification des sols et des eaux de surface, la dégradation de la qualité de l’eau et son eutrophisation. Ils nuisent par ailleurs à la croissance de la végétation et à la diversité des espèces végétales et animales. Des dépôts d’azote cumulés peuvent entraîner une saturation en azote des sols, susceptible de réduire la biodiversité, de même qu’une acidification du terrain, une dégradation de l’eau et une réduction de la croissance des forêts. Il est donc extrêmement important de comprendre ces processus et de les cartographier à l’échelle planétaire, d’autant qu’ils sont liés à sept des 17 ODD des Nations Unies.
Mesures des dépôts et technique pour combiner les modèles et les mesures
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Figure 2: Cours de formation du GAWTEC sur les dépôts atmosphériques totaux à la station de Hohenpeißenberg de la VAG. (À gauche) échantillonnage des précipitations et (à droite) échantillons de dépôts atmosphériques recueillis sur des filtres.
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On mesure les dépôts humides de polluants atmosphériques en recueillant des échantillons de précipitations, puis en mesurant les concentrations des polluants ciblés et la hauteur des précipitations (figure 2). Pour estimer la quantité de dépôts secs, on mesure généralement les concentrations de gaz et de particules près de la surface terrestre, puis, à l’aide de modèles informatiques, on calcule leur vitesse de déposition (la vitesse à laquelle les polluants se déposent sur la surface de la Terre). Ces deux méthodes nécessitent des réseaux de mesure complexes et coûteux, à l’oeuvre sur de vastes zones, comme ceux que coordonne la VAG. On procède également à des estimations des dépôts (humides ou secs) à l’aide de modèles de transport chimique (MTC), qui se fondent à la fois sur les inventaires d’émissions et sur des modèles de processus météorologiques et atmosphériques à l’échelle régionale et/ou mondiale. La méthode des mesures et celle de modélisation présentent toutes deux des avantages et des inconvénients qui leur sont propres, et aucune n’est parfaite.
Les cartes actuelles des dépôts atmosphériques à l’échelle mondiale se fondent sur un ensemble limité de mesures ou sur les prévisions des MTC. Les deux types de cartes présentent un degré élevé d’incertitude. D’une part, les mesures des dépôts sont rares ou inexistantes dans de vastes régions du monde, en particulier en Afrique, en Asie, en Australie, en Amérique du Sud et sur les océans. D’autre part, les bilans d’émissions et le paramétrage des MTC reposent nécessairement sur des hypothèses et des simplifications.
Afin de se libérer des contraintes et de tirer le meilleur parti des deux méthodes, une nouvelle approche de cartographie des dépôts, appelée «fusion des modèles et des mesures» (MMF), a été mise au point. La MMF combine les meilleures mesures de dépôts humides ou secs et de concentrations atmosphériques dont on dispose actuellement avec les meilleures estimations des MTC fondées sur des méthodes statistiques. Pour «ajuster» les estimations du modèle ou les rapprocher des valeurs réelles, la technique consiste à incorporer ou «assimiler» les valeurs mesurées, tout comme les observations des variables météorologiques, telles que la température, la vitesse du vent, la direction du vent et l’humidité relative, sont assimilées dans les modèles de prévision numérique du temps (PNT) afin d’améliorer la précision des prévisions météorologiques. Contrairement à la PNT, toutefois, cette technique ne permet pas d’intégrer les mesures de dépôts atmosphériques dans les modèles en temps réel ou quasi-réel, car elles doivent être traitées et analysées après la collecte. Les observations sont donc assimilées à un stade ultérieur ou rétroactivement.
Des méthodes de type MMF ont été élaborées et appliquées avec succès dans plusieurs pays, notamment au Canada, en Suède et aux États-Unis, mais elles doivent encore être mises en oeuvre à l’échelle mondiale. Les figures 3 (a et b) et 4 présentent des exemples de cartes de dépôts haute résolution produites selon ces méthodes, respectivement au Canada, aux États-Unis et en Suède. Les MMF offrent une base scientifique et méthodologique permettant d’étendre les cartes de dépôts de l’échelle nationale ou régionale à l’échelle mondiale.
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Figures 3 a) et b): Cartes actuelles combinant les résultats des modèles et des mesures de dépôts atmosphériques totaux. Figure 3a (à gauche): dépôts totaux d’azote en 2010, exprimés en kg N ha-1 an-1, source: Environnement et changement climatique Canada (Schwede et al., 2019). Figure 3b (à droite): dépôts totaux d’azote en 2010, exprimés en kg N ha-1 an-1, source: Agence de protection de l’environnement des États-Unis (Schwede et al., 2019).
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L’initiative de l’OMM pour une fusion des modèles et des mesures des dépôts atmosphériques totaux
La VAG est désormais en mesure de recruter et de mettre en relation d’éminents experts des dépôts atmosphériques et des MMF, provenant du monde entier, pour mettre au point et appliquer les techniques MMF de cartographie des dépôts planétaires. Ces spécialistes mettront à profit les dernières avancées réalisées dans le domaine des techniques de modélisation du transport chimique et utiliseront des observations satellite des dépôts atmosphériques ainsi que le réseau de mesures au sol des concentrations et des flux de dépôts coordonné par le Groupe consultatif scientifique de l’OMM sur les dépôts atmosphériques totaux.
Cette initiative a pour objet de combiner des modèles et des observations de dépôts atmosphériques (à l’échelle régionale comme mondiale) pour produire des cartes de haute qualité des dépôts atmosphériques totaux (tant humides que secs) et des estimations des flux planétaires de polluants atmosphériques en mode semi-opérationnel. Cette initiative, qui n’en est qu’à ses débuts, est connue sous le nom de Fusion des modèles et des mesures des dépôts atmosphériques totaux à l’échelle planétaire (MMF- GTAD). Il convient de noter que les cartes actuelles de dépôts atmosphériques produites par MMF sont le fruit du travail de pays isolés ou collaborant en binômes et qu’elles n’ont encore qu’une portée nationale ou régionale.
Aujourd’hui, de nombreux pays n’ont ni les capacités ni les connaissances nécessaires pour tenir compte des dépôts atmosphériques dans leurs décisions d’ordre scientifique ou politique ou dans leur travail de planification pour réaliser les ODD des Nations Unies. Les cartes des dépôts planétaires fondées sur la MMF, établies sur la base des meilleures estimations des mesures comme des modèles, permettront d’éclairer et de soutenir ces processus de décision.
Les cartes mondiales de haute qualité présentant les dépôts et les concentrations, ainsi que les fichiers de données qui s’y associent, permettront aux organismes gouvernementaux et aux autres parties prenantes d’évaluer les effets des dépôts atmosphériques de produits chimiques sur la santé des populations, les écosystèmes terrestres et océaniques, les terres agricoles et le changement climatique. Il sera dès lors possible de prendre des décisions et des mesures fondées sur les meilleures données scientifiques disponibles. La VAG contribue déjà considérablement à la collecte de données relatives aux mesures des dépôts en surface et au contrôle de leur qualité. Dans le cadre de la MMF- GTAD, elle jouera aussi un rôle déterminant pour encourager la production opérationnelle de cartes MMF des dépôts atmosphériques à l’échelle mondiale (de même qu’à l’échelle régionale dans les régions du monde où les mesures sont rares) et pour fournir des résultats et des informations fiables à l’Organisation des Nations Unies et à leurs États membres. Les résultats escomptés de l’initiative MMF-GTAD, présentés ci-dessous, font clairement ressortir ces éléments.
Les parties prenantes pourront accéder à des cartes planétaires de haute résolution et de grande qualité présentant les dépôts atmosphériques totaux pour répondre aux besoins de la société en matière d’environnement et de développement durable à l’échelle mondiale.
Mise en oeuvre de l’initiative MMF-GTAD
Le plan de mise en oeuvre de la VAG de l’OMM pour 2016-2023 s’appuie sur la notion d’une «science au profit des services». Dans ce contexte, l’initiative MMF-GTAD est l’un des nouveaux services de la VAG dont le Congrès météorologique mondial a fait mention, en juin 2019, dans sa résolution 60 relative aux besoins des utilisateurs. L’initiative MMF-GTAD, fondée sur ces principes, a les objectifs suivants:
- Créer et diffuser des cartes mondiales de haute qualité MMF et des produits de données de haute résolution spatiale des dépôts atmosphériques en mode semi-opérationnel (accompagnés des ensembles de données de mesures, de qualité garantie, et des sorties des modèles de transport chimique qui s’y associent).
- Améliorer en permanence les produits opérationnels par des innovations scientifiques permettant d’optimiser la surveillance des dépôts, la modélisation du transport chimique, les techniques d’assimilation et de fusion des données et les systèmes d’observation (par ex. les mesures par satellite).
- Recommander sans relâche aux utilisateurs de données, aux parties prenantes et aux partenaires de ne pas jamais perdre de vue leurs besoins et leurs priorités en constante évolution.
- Proposer des procédures, des conseils techniques et des produits adaptés aux besoins des utilisateurs et des parties prenantes (par ex. en matière de dépôts propres à certains écosystèmes, d’indicateurs dérivés, de tendance des dépôts à long terme).
- Renforcer les capacités (techniques, institutionnelles ou personnelles) et établir un dialogue avec les communautés et organisations scientifiques ou politiques compétentes qui n’obtiennent et n’utilisent guère d’informations sur les dépôts.
- Collaborer avec des partenaires de l’OMM ou des Nations Unies et dans le cadre de programmes de mesure régionaux et nationaux (par ex. réseaux, satellites) pour encourager l’expansion et l’amélioration des observations des dépôts dans les zones sous-échantillonnées.
- Améliorer et renforcer les prévisions relatives aux dépôts, à la qualité de l’air et au climat en fournissant des orientations pour la prise en compte des dépôts atmosphériques dans les méthodes de modélisation du système terrestre pour les terres, les glaces, les océans et l’atmosphère.
- Permettre aux utilisateurs et aux parties prenantes d’appliquer les connaissances actuelles et futures sur les dépôts mondiaux provenant de la MMF-GTAD, tout en collaborant avec eux, pour évaluer l’impact de l’évolution des dépôts sur le climat, les écosystèmes, les émissions et la population de la planète dans la perspective des ODD des Nations unies concernés.
- Établir un plan de mise en oeuvre officiel pour organiser et réaliser l’initiative MMF-GTAD conformément à ses objectifs à court et à moyen terme.
L’initiative MMF-GTAD permettra de mettre en oeuvre un système d’exploitation global qui intégrera les données de mesure et les sorties de modèles, appliquera des techniques MMF et assurera l’élaboration et la fourniture de produits et de services. Cette initiative exigera d’adopter une approche hautement intégrée et coordonnée pour mener à bien des activités relevant de plusieurs domaines des sciences de l’atmosphère. Parmi ces activités figurent les mesures de la composition de l’atmosphère et des dépôts atmosphériques (notamment de stations de la VAG et de réseaux de mesure régionaux et nationaux), la modélisation du transport chimique (à l’échelle régionale, nationale ou mondiale), les inventaires d’émissions, la fusion des modèles d’assimilation des données et des mesures, la gestion de bases de données ainsi que la fourniture et la diffusion des produits.
Tous les services et produits fournis dans le cadre de l’initiative MMF-GTAD seront axés sur les besoins des utilisateurs. Ces besoins pourront être définis lors de consultations, de réunions permettant d’obtenir des retours d’information et d’ateliers organisés à cette fin.
L’initiative MMF-GTAD a été lancée en février 2019, au siège de l’OMM (à Genève), à l’occasion d’une réunion d’experts spécialisés soit dans l’observation ou la modélisation des dépôts atmosphériques, des aérosols et des gaz réactifs, soit dans les techniques MMF pour la sécurité alimentaire et des écosystèmes. Les aspects techniques et financiers de l’initiative y ont été définis et les participants ont commencé à planifier sa mise en oeuvre.
De nombreux éléments techniques et scientifiques ont déjà été mis en place. Il est maintenant nécessaire de trouver des fonds pour pouvoir se lancer dans la cartographie des dépôts mondiaux. La VAG se réjouit à la perspective de recevoir des contributions en nature ou une aide financière de la part des Membres de l’OMM et des partenaires de l’initiative MMF-GTAD. Plusieurs organisations scientifiques, sociétales et politiques attendent la production régulière des cartes mondiales MMF-GTAD.
Remerciements: Cet article est fondé sur la note de synthèse de l’initiative MMF-GTAD, rédigée par Wenche Aas, Camilla Andersson, Amanda Cole, Frank Dentener, Joshua Fu, Corinne Galy-Lacaux, Maria Kanakidou, Lorenzo Labrador, Kobus Pienaar, Donna Schwede et Robert Vet.
Auteurs
Lorenzo Labrador, Secrétariat de l’OMM
Claudia Volosciuk, Secrétariat de l’OMM
Amanda Cole, Environnement et Changement climatique Canada
Références
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Leung, W., Alpfjord Wylde, H. and Andersson, C. (2019). National environmental assessment with the MATCH Sweden system, evaluation of results for the years 2015-2017 (en suédois 2015-2017). Institut suédois de météorologie et d’hydrologie. https:// www.smhi.se/ polopoly_fs/1.146627!/Slutrapport2015- 17_M%C3%96.pdf.
Mills, G., Sharps, K., Simpson, D., Pleijel, H., Broberg, M., Uddling, J., Jaramillo, F., Davies, D., Dentener, F., Van den Berg, M., Agrawal, M., Agrawal., S.B., Ainsworth, E.A., Büker, P., Emberson, L., Feng, Z., Harmens, H., Hayes, F., Kobayashi, K., Paoletti, E., and Van Dingenen, R. (2018). Ozone pollution will compromise efforts to increase global wheat production. (2018). Global Change Biology, 24: 8, pp. 3560-3574. doi.org/10.1111/gcb.14157.
Schwede, D., Cole, A., Vet, R., and Lear, G. (2019). On-going U.S.-Canada collaboration on nitrogen and sulfur deposition. EM: The Magazine for Environmental Managers, June 2019.
IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge (UK) and New York, Cambridge University Press
WMO, 2018: WMO Reactive Gases Bulletin. No 2: Highlights from the Global Atmosphere Watch Programme. Geneva.
