La pandémie de COVID-19 fait traverser à l’humanité une crise sanitaire et par conséquent une crise économique. Les mesures prises par les gouvernements ont des répercussions considérables. Les restrictions en matière de mobilité de la population et d’activités commerciales ont entraîné des modifications des émissions anthropiques et de la composition chimique de l’atmosphère. Ces modifications, qui ont concerné tant les polluants atmosphériques que les gaz à effet de serre, ont été particulièrement significatives dans les zones urbaines.
L’étude des liens potentiels entre la pollution atmosphérique, le virus et la maladie présente un grand intérêt pour la Veille de l’atmosphère globale (VAG) de l’OMM, tout comme la possibilité d’observer un changement sans précédent, passager et complexe, des émissions anthropiques dans la plupart des régions du monde. Les spécialistes de la VAG ont entrepris d’analyser les impacts de la crise sur la composition de l’atmosphère à l’échelle mondiale, régionale, nationale et urbaine. Les études mondiales et régionales reposent sur le réseau mondial d’observations satellitaires ainsi que sur la modélisation numérique et l’assimilation de données, tandis que les études à plus petite échelle sont en grande partie basées sur l’analyse directe des observations in situ.
Dioxyde de carbone
Le dioxyde de carbone (CO2) est un gaz à effet de serre persistant qui s’accumule dans l’atmosphère. Lorsque les sources et les puits de CO2 sont en équilibre net, les concentrations de CO2 ont une variabilité faible. Ce fut le cas pendant les 14 000 années qui ont précédé l’époque industrielle, laquelle a commencé vers 1750 après J.-C. La consommation de combustibles fossiles et la modification de l’utilisation des sols ont entraîné une augmentation de la concentration de CO2 dans l’atmosphère, qui est passée de 280 parties par million (ppm) à l’époque préindustrielle à plus de 410 ppm actuellement (ce qui équivaut à 410 molécules de CO2 par million de molécules d’air ou 0,041 % de toutes les molécules d’air).
La toute dernière analyse des observations de la VAG, appuyée par le Groupe consultatif scientifique pour les gaz à effet de serre et le Centre mondial de données relatives aux gaz à effet de serre, révèle qu’à l’échelle du globe, les fractions molaires en surface (la mesure de la concentration) calculées à partir de ce réseau in situ pour le CO2, le méthane (CH4) et l’oxyde d’azote (N2O) ont battu de nouveaux records en 2019: 410,5±0,2 ppm pour le CO2, 1 877±2 parties par milliard (ppb) pour le CH4 et 332,0±0,1 ppb pour le N2O. Ces valeurs représentent respectivement des augmentations de 148 %, 260 % et 123 % par rapport aux niveaux préindustriels (OMM, 2019). Les concentrations de ces principaux gaz à effet de serre ont continué d’augmenter en 2019 et en 2020. Selon les données obtenues pour tous les sites mondiaux, y compris des observatoires prestigieux comme les stations de la VAG établies à Mauna Loa (Hawaï) et Cape Grim (Tasmanie), les concentrations de CO2, de CH4 et de N2O ont continué d’augmenter en 2020 (voir la figure 1). De plus amples informations sur les tendances en matière de gaz à effet de serre figurent dans le Bulletin de l’OMM sur les gaz à effet de serre et dans le rapport intitulé United in Science (OMM, 2020).
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Figure 1: Évolution de la fraction molaire mensuelle moyenne du CO2 à l’observatoire de Cape Grim (gauche) et à l’observatoire de Mauna Loa (droite). La ligne rouge en pointillés représente les valeurs moyennes mensuelles, centrées sur le milieu de chaque mois. La ligne noire représente les mêmes valeurs, après application d’une correction relative au cycle saisonnier moyen. Sources: capegrim.csiro.au/ et www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/mlo.html. |
Malgré les efforts déployés pour réduire les émissions par habitant, comme convenu dans le protocole de Kyoto et l’Accord de Paris de 2015, les émissions mondiales de CO2 ont augmenté d’année en année jusqu’à croître d’environ 1 % au cours de la dernière décennie (GCP, 2019). Ainsi, pendant cette période, les concentrations de CO2 dans l’atmosphère ont augmenté de 2 à 3 ppm par an (OMM, 2019). La variabilité d’environ 1 ppm du taux d’accroissement atmosphérique est presque entièrement due à la variabilité de l’absorption du CO2 par les écosystèmes et les océans. Ensemble, ces derniers absorbent environ 50 % des émissions humaines (GCP, 2019).
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| Figure 2: Moyenne des émissions quotidiennes de CO2 du 5 février au 6 mai 2020 (zone rouge) et moyenne des années précédentes pendant la même période (zone grise). Les segments horizontaux orange foncé représentent les périodes de confinement officiel, tandis que les segments orange clair indiquent les périodes de confinement partiel ou de restrictions générales (par exemple, fermeture des écoles, réduction des contacts entre personnes, restrictions en matière de mobilité). Source: ICOS, 2020b. |
Les responsables du Projet mondial sur le carbone (GCP) (GCP, 2020) se sont penchés sur la réduction des activités des principales économies du monde dans le contexte du confinement lié à la COVID‑19. Selon eux, pendant la période de restrictions draconiennes, les émissions quotidiennes mondiales ont diminué de 17 %. Alors que la durée et la sévérité des mesures de confinement restent floues, il est très difficile d’estimer la réduction totale des émissions en 2020. Les responsables du GCP estiment que cette réduction annuelle atteindra entre 4,2 % et 7,5 %. Il s’agit du type de réduction qu’il serait nécessaire d’observer d’année en année durant les 30 prochaines années pour atteindre l’objectif de l’Accord de Paris, à savoir limiter le réchauffement climatique à 1,5 °C. Ainsi, l’augmentation mondiale annuelle de CO2 (qui est généralement de 2 à 3 ppm) diminuerait de 4,2 % à 7,5 % (soit de 0,08 à 0,23 ppm et progressivement jusqu’à deux fois plus). Il est à noter que cette variabilité est toujours bien inférieure aux limites de la variabilité interannuelle naturelle, soit 1 ppm. Les responsables de Carbon Brief (CB) (CB, 2020) et du Système intégré d’observation du carbone (ICOS) (ICOS, 2020a) sont parvenus à une conclusion similaire.
Le signal atmosphérique mondial de CO2 intègre l’ensemble des flux entièrement naturels et des flux anthropiques qui entrent et sortent de l’atmosphère et ont été bien mélangés par un brassage turbulent et un transport atmosphérique. Le réseau mondial de stations de surface de la VAG peut mesurer les changements mondiaux du CO2 atmosphérique sur un an avec une précision de 0,1 ppm. Les observations satellitaires ne peuvent pas encore atteindre cette précision pour la moyenne mondiale. Lorsque les mesures in situ sont effectuées à proximité de sources et de puits particuliers, les signaux individuels peuvent être plus forts mais ils sont également enchevêtrés, et, dans la plupart des cas, c’est le signal naturel qui montre la plus grande variabilité, avec de fortes variations diurnes et saisonnières, tandis que les émissions de combustibles fossiles sont relativement constantes. Il est donc difficile de détecter des changements de l’ordre de 10 à 20 % sur des périodes d’un an ou moins. Dans plusieurs villes et régions du monde, on mesure actuellement le carbone 14, un isotope radioactif, contenu dans le CO2, afin de faire la distinction entre les combustibles fossiles et, quelle que soit leur variabilité, les sources et puits des écosystèmes. Cependant, de telles mesures sont rares et il faut beaucoup de temps pour analyser des échantillons discrets en laboratoire. La plupart des mesures de haute précision du CO2 sont effectuées par des instruments de mesure in situ en continu dans des réseaux qui sont conçus pour recevoir le signal intégré de toutes les sources et de tous les puits.
Pour déterminer les modifications du signal des combustibles fossiles lorsque la variabilité naturelle du CO2 est forte, il est nécessaire de disposer de séries chronologiques longues afin de générer des statistiques fiables et de procéder à une modélisation complexe des données à l’aide de techniques d’assimilation de celles-ci. Les changements d’émissions de l’ordre de 10 à 20 % sont difficiles à quantifier avec certitude, à moins de les mesurer dans un rayon de 10 km autour des sources d’émission de combustibles fossiles. L’ICOS a fourni un exemple de changement significatif des émissions qui peut être mesuré directement dans les villes (comme proposé dans le cadre du programme IG³IS de l’OMM) (ICOS, 2020b). Ainsi, on a enregistré jusqu’à 75 % de réduction des émissions dans les centres-villes de Bâle, Florence, Helsinki, Héraklion, Londres et Pesaro en utilisant des techniques de mesure de la covariance des turbulences, qui permettent de mesurer directement les flux d’échanges verticaux dans un rayon de plusieurs kilomètres à partir du point de mesure (voir la figure 2).
L’analyse des données disponibles montre qu’une réduction des émissions de l’ordre de 4 à 7 % à l’échelle mondiale ne signifie pas que les concentrations de CO2 dans l’atmosphère vont baisser. En réalité, le CO2 poursuivra son accumulation dans l’atmosphère et les concentrations continueront à augmenter à un rythme à peine moins rapide. Or, comme la variabilité naturelle se juxtapose aux effets des émissions de combustibles fossiles et est plus importante qu’eux, il sera difficile de détecter un tel changement.
Ce n’est que lorsque les émissions nettes de CO2 seront proche de zéro que l’on pourra s’attendre à ce que l’absorption nette de ce gaz par les écosystèmes et les océans commence à faire baisser légèrement les niveaux de CO2 dans l’atmosphère. Mais même dans ce cas, la plupart du CO2 déjà accumulé dans l’atmosphère y persistera pendant plusieurs siècles et contribuera au réchauffement de notre climat.
Qualité de l’air
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| Figure 3: Densité moyenne du NO2 dans la troposphère – comparaison entre janvier et février 2020. Source: NASA, 2020. |
La réduction des activités économiques et des déplacements de la population a contribué à des améliorations localisées de la qualité de l’air. La durée de vie des polluants atmosphériques dans l’atmosphère est plus courte que celle des gaz à effet de serre. Par conséquent, les réductions d’émissions de polluants atmosphériques ont des impacts plus localisés et se remarquent beaucoup plus rapidement dans les concentrations atmosphériques. Pendant le confinement, un abaissement des niveaux de dioxyde d’azote (NO₂) a été observé à partir de satellites dans de nombreuses régions du monde, par exemple en Chine (figure 4; NASA, 2020) et en Italie (figure 3; CAMS, 2020). Pourtant, la qualité de l’air est déterminée en partie par les émissions et en partie par les changements météorologiques. La stagnation entraîne une accumulation de polluants à proximité des sources, mais le vent, le mélange vertical et la pluie contribuent à la dispersion de ces polluants. Pour dissocier les effets du temps de ceux de la réduction des émissions, il est nécessaire de procéder à des analyses détaillées. Dans certaines régions d’Europe, il est encore plus difficile de détecter une véritable tendance sur le plan statistique, comme le montre la figure ci-dessous, qui concerne certaines capitales du nord-ouest de l’Europe. Les épisodes de forte concentration (entre les semaines 3 et 4; semaine 6) et de faible concentration du NO₂ en surface liés au temps sont les principales caractéristiques que l’on peut observer (figure 5; CAMS, 2020). Plusieurs méthodes ont donc été mises au point pour tenter de dissocier les effets météorologiques de ceux des changements d’émission en estimant ce qu’aurait été le printemps 2020 dans des conditions «normales», notamment au moyen de techniques d’apprentissage automatique (Barré, 2020).
De nombreux scientifiques étudient les effets des mesures de confinement liés à la COVID-19 sur la qualité de l’air ainsi que l’impact des niveaux de pollution atmosphérique et d’autres facteurs environnementaux sur l’issue et la propagation de cette maladie. Une enquête auprès des spécialistes de la VAG a permis de recueillir 86 réponses, dont la majorité relatent l’impact des mesures de confinement sur les niveaux de pollution et de gaz à effet de serre. Une étude spécifique à l’échelle urbaine est menée par le Groupe consultatif scientifique du Projet de recherche relevant de la VAG sur la météorologie et l’environnement en milieu urbain (GURME). Elle est également appuyée par des travaux sur les émissions anthropiques mêmes, ainsi que sur les changements qui peuvent être déduits des données d’activité publiquement disponibles, telles que les statistiques sur les transports/la mobilité ou l’énergie (pour l’Europe, voir par exemple Guevara, 2020).
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| Figure 4: Concentrations de NO2 en surface dans le nord de l’Italie – comparaison entre le 31 janvier et le 15 mars 2020. Source: CAMS, 2020; CEPMMT. | Figure 5: Séries chronologiques des concentrations de NO2 en surface dans des capitales du nord-ouest de l’Europe (CAMS, 2020). |
Le service Copernicus de surveillance de l’atmosphère (CAMS) fournit des analyses quotidiennes des concentrations horaires des polluants atmosphériques réglementés. Ces analyses peuvent servir à représenter la réalité sur le terrain afin d’évaluer quantitativement, et plus en détail, les changements de concentrations repérés par les satellites et attribués aux mesures liées à la COVID-19 dans le monde. Le CAMS propose une ressource axée sur la COVID-19 pour que les utilisateurs obtiennent rapidement des données fiables (Peuch, 2020).
En consultation avec l’Organisation mondiale de la Santé (OMS), le Conseil de la recherche de l’OMM a créé une équipe spéciale sur la COVID-19 par l’intermédiaire du Bureau commun OMM/OMS. Cette équipe spéciale a facilité l’organisation, du 4 au 6 août dernier, du Colloque international virtuel sur l’impact des facteurs climatiques, météorologiques et environnementaux sur la pandémie de COVID‑19. Les résultats de ce colloque ont été présentés au Conseil exécutif de l’OMM en septembre.
Les réductions temporaires d’émissions ne dispensent pas de prendre des mesures pour le climat ni de mettre en place des politiques sur la qualité de l’air. Il est nécessaire de s’engager et de consentir des efforts sur le long terme pour réduire à zéro les émissions nettes de gaz à effet de serre et améliorer la qualité de l’air.
Références
Barré, 2020: Barré, J., Petetin, H., Colette, A., Guevara, M., Peuch, V.-H., Rouil, L., Engelen, R., Inness, A., Flemming, J., Pérez García-Pando, C., Bowdalo, D., Meleux, F., Geels, C., Christensen, J. H., Gauss, M., Benedictow, A., Tsyro, S., Friese, E., Struzewska, J., Kaminski, J. W., Douros, J., Timmermans, R., Robertson, L., Adani, M., Jorba, O., Joly, M., et Kouznetsov, R., Estimating lockdown induced European NO2 changes, Atmos. Chem. Phys. Discuss., https://doi.org/10.5194/acp-2020-995, en cours d’examen, 2020, https://acp.copernicus.org/preprints/acp-2020-995/.
CAMS, 2020: Air quality information confirms reduced activity levels due to lockdown in Italy, au 9 octobre 2020.
CB, 2020: Evans, S., https://www.carbonbrief.org/daily-global-co2-emissions-cut-to-2006-levels-during-height-of-coronavirus-crisis, au 9 octobre 2020.
GCP, 2019: Friedlingstein, P. et al., Global Carbon Budget 2019, Earth Syst. Sci. Data 11, 1783–1838 (2019), https://doi.org/10.5194/essd-11-1783-2019.
GCP, 2020: Le Quéré, C. et al., Temporary reduction in daily global CO₂ emissions during the COVID-19 forced confinement, Nat. Clim. Chang. (2020), https://doi.org/10.1038/s41558-020-0797-x.
Guevara, 2020: Guevara, M., Jorba, O., Soret, A., Petetin, H., Bowdalo, D., Serradell, K., Tena, C., Denier van der Gon, H., Kuenen, J., Peuch, V.-H., et Pérez García-Pando, C.: Time-resolved emission reductions for atmospheric chemistry modelling in Europe during the COVID-19 lockdowns, Atmos. Chem. Phys. Discuss., https://doi.org/10.5194/acp-2020-686, en cours d’examen, 2020, https://acp.copernicus.org/preprints/acp-2020-686/.
ICOS, 2020a: Kutsch W. et al., Finding a hair in the swimming pool: The signal of changed fossil emissions in the atmosphere, www.icos-cp.eu/event/917, au 9 octobre 2020.
ICOS, 2020b: ICOS study shows clear reduction in urban CO₂ emissions as a result of COVID-19 lockdown, www.icos-cp.eu/event/933, au 9 octobre 2020.
NASA, 2020: Airborne Nitrogen Dioxide Plummets Over China earthobservatory.nasa.gov/images/146362/ airborne-nitrogen-dioxide-plummets-over-china, au 9 octobre 2020.
OMM, 2019: Bulletin de l’OMM sur les gaz à effet de serre - N° 15: Bilan des gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère d’après les observations effectuées à l’échelle du globe en 2018, https://library.wmo.int/index.php?lvl=notice_display&id=21633#.X9nT29hKg2w.
OMM, 2020: OMM, Programme des Nations Unies pour l’environnement, Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat et al., United in Science 2020, A multi-organization high-level compilation of the latest climate science information, https://library.wmo.int/index.php?lvl=notice_display&id=21761#.X9nUmdhKg2w.
Peuch, 2020: Peuch, V.H. et al., Copernicus contributes to coronavirus research, https://www.ecmwf.int/en/newsletter/164/news/copernicus-contributes-coronavirus-research, au 9 octobre 2020, et https://atmosphere.copernicus.eu/index.php/european-air-quality-information-support-covid-19-crisis, au 9 octobre 2020.
Auteurs
Alex Vermeulen, Président du Groupe consultatif scientifique pour les gaz à effet de serre relevant de la VAG de l’OMM, Portail sur le carbone ICOS eRIC, Lund, Suède
Jocelyn Turnbull, Coprésidente du Comité directeur pour le Système mondial intégré d’information sur les gaz à effet de serre relevant de la VAG de l’OMM et membre du Groupe consultatif scientifique pour les gaz à effet de serre relevant de la VAG de l’OMM, GNS Science (Nouvelle-Zélande) et Université du Colorado (États-Unis d’Amérique)
Vincent-Henri Peuch, Coprésident du Groupe consultatif scientifique pour les applications relevant de la VAG de l’OMM, Service Copernicus de surveillance de l’atmosphère, CEPMMT
Oksana Tarasova et Claudia Volosciuk, Secrétariat de l’OMM
