Évolution des émissions de composés organiques volatils en milieu urbain: stratégies d’assainissement de l’air

La pollution atmosphérique est le facteur environnemental qui menace le plus la santé humaine. La mauvaise qualité de l’air extérieur entraîne, chaque année, le décès de plus de 4 millions de personnes, essentiellement dans les pays en développement (OMS, 2019). Si la qualité de l’air s’est améliorée dans de nombreux pays grâce à des stratégies efficaces de régulation des émissions, elle reste insatisfaisante ou continue de se dégrader dans d’autres régions du monde. Plus de 90 % de la population mondiale vit dans des villes qui ne respectent pas les lignes directrices de l’OMS relatives à la qualité de l’air. Les zones les plus polluées du monde sont d’ailleurs souvent les plus mal dotées en systèmes de surveillance ou d’alerte (OMS, 2016; Kumar et al., 2018). Or pour élaborer une stratégie d’assainissement de l’air, il faut avoir une connaissance approfondie des émissions à l’origine de la pollution atmosphérique et de leur évolution dans le temps.

Rôle des composés organiques volatils en milieu urbain

Les composés organiques volatils (COV), qui concourent à la pollution atmosphérique, comprennent des mélanges complexes de plusieurs centaines de gaz contenant du carbone (Lewis et al., 2000). Le tableau 1 présente des COV comptant parmi les plus courants et les plus abondants dans de nombreuses villes. Si leur taux atmosphérique dépasse les limites recommandées, les risques pour la santé découlent de l’exposition non seulement aux COV proprement dits, mais aussi aux polluants secondaires de l’air formés par réaction chimique entre les COV et d’autres éléments. Par exemple, les COV réagissent avec les oxydes d’azote pour former de l’ozone et des particules ultrafines, un composant du smog nocif pour l’être humain, la végétation et le climat (OMM, 2018).

Selon les mesures et les modèles planétaires, les concentrations d’ozone troposphérique dépassent les limites recommandées dans de nombreuses régions du monde, en particulier en Asie (voir la figure 1). L’oxydation des COV entraîne également la formation d’aérosols organiques secondaires, qui entrent souvent dans la composition des particules fines ou PM_2,5 (Gentner et al., 2017; Guo et al., 2017). L’exposition aux PM_2,5 est également un grave problème de santé publique (OMS, 2013). La production d’ozone et d’aérosols organiques secondaires dépendant des quantités relatives des COV et des oxydes d’azote, qui sont leurs précurseurs, les stratégies de réduction des émissions reposent sur une approche globale, tenant compte des interactions entre les nombreux facteurs de pollution atmosphérique (Lyu et al., 2016; Zhao et al., 2017). Dans ce domaine, l’un des principaux objectifs de la recherche est d’établir quels COV réactifs sont les plus susceptibles de former de l’ozone et des aérosols organiques secondaires, puis de déterminer quelles sont leurs principales sources d’émission.

Progrès et évolution des signatures des composés organiques volatils

Les COV émis en milieu urbain forment souvent un mélange complexe provenant de sources diverses, notamment les automobiles, l’industrie, les solvants et la combustion des déchets. Les COV naturels émis par des plantes ou des arbres contribuent également au mélange de COV urbains. Chaque source a sa signature ou son «empreinte digitale» particulière. Par exemple, l’isoprène est un COV caractéristique émis par les feuillus, tandis que l’éthylène est un produit de combustion associé aux gaz d’échappement (voir le tableau 1). Chaque ville possède ainsi sa propre «empreinte digitale COV», tributaire de ses sources principales, qui varie au fil du temps au gré de l’évolution du taux de COV, qui découle des fluctuations des sources ou de l’application de normes environnementales.

Figure 1. Les COV sont des précurseurs de l’ozone troposphérique (O3), un composant essentiel du smog. On voit ici les concentrations d'ozone en 2010 (moyenne annuelle des maxima quotidiens sur 8 h, en parties par milliard (ppb)) selon les modèles de transport chimique. Les taux d’ozone les plus élevés sont signalés en rouge (Anenberg et al., 2018). L’OMS recommande une limite d’ozone de 50 ppb sur une moyenne de 8 h. (Source: Environmental Health Perspectives; reproduit avec la permission des auteurs.)

Tableau 1. Les COV courants en milieu urbain, leur durée de vie approximative dans l’atmosphère et leurs sources caractéristiques. Les composés sont classés selon leur durée de vie dans l’atmosphère. Les composés à durée de vie supérieure, comme l’éthane et le propane, sont moins réactifs et mettent donc plus de temps à former des produits secondaires, tels que l’ozone.

Figure 2. Tendances depuis 1960: (a) des ventes de carburant en Californie, (b) des maxima d’ozone sur 1 heure dans le bassin de Los Angeles, (c) de certains COV près du centre de Los Angeles, et (d) du monoxyde de carbone (CO) au centre de Los Angeles (Warneke et al., 2012). (Source: Journal of Geophysical Research; reproduit avec la permission des auteurs.)

À titre d’exemple, la circulation routière est une source importante de COV urbains. Les technologies réduisant les émissions des véhicules, tels que les convertisseurs catalytiques, ont toutefois réduit les taux de COV dans de nombreuses régions du monde, en particulier en Europe, en Amérique du Nord et dans certaines parties d’Asie (Chang et al., 2017). Grâce à ces technologies, dans de nombreux pays, les taux actuels d’émission de COV des véhicules ne représentent plus qu’environ 1 % des valeurs d’il y a 50 ans (Parrish et al., 2016). Par conséquent, les concentrations de COV et d’ozone diminuent régulièrement dans de nombreuses villes industrialisées depuis 50 ans, malgré l’augmentation des ventes de carburants et l’accroissement du parc automobile (voir la figure 2). Par exemple, les taux de COV ont baissé de près de 100 fois à Los Angeles depuis 1960 à la suite de la mise en œuvre précoce de mesures de réduction des émissions de COV (Warneke et al., 2012). De même, ils ont rapidement diminué à Londres à partir des années 1990 grâce aux stratégies de réduction des émissions (von Schneidemesser et al., 2010).

Une autre stratégie d’amélioration de la qualité de l’air dans les villes est le recours à des combustibles de substitution. Par exemple, pour leurs systèmes de transport public, de nombreuses villes ont renoncé aux taxis et aux bus fonctionnant au diesel au profit de combustibles plus propres comme le gaz de pétrole liquéfié (GPL) ou le gaz naturel comprimé (GNC), ou d’options exemptes de combustibles fossiles, comme l’électricité. Alors que les carburants diesel émettent des COV lourds, comme l’octane et le toluène, les combustibles plus propres comprennent des hydrocarbures plus légers, comme le propane et le butane (dans le cas du GPL) ou le méthane et l’éthane (dans le cas du GNC) (Kado et al., 2005; Guo et al., 2011; Gentner et al., 2017). L’utilisation de combustibles de substitution peut donc faire évoluer l’empreinte digitale COV d’une ville vers des hydrocarbures plus légers, moins réactifs et formant donc plus lentement de l’ozone. Ainsi, l’empreinte digitale COV de Hong Kong (Chine) est passée d’une forte teneur en toluène à une forte teneur en butane, par suite du remplacement du diesel par le GPL dans les taxis et les autobus légers et de la limitation des taux de toluène dans des dizaines de solvants (Guo et al., 2017; Lyu et al., 2017).

Comme les émissions de COV provenant de la circulation diminuent dans de nombreuses villes, d’autres sources de COV voient leur importance relative augmenter. Selon les estimations actuelles, les produits chimiques volatils (tels que les pesticides, les revêtements, les encres, les détergents et les produits de soins personnels) constituent la moitié des COV émis par des combustibles fossiles aux États-Unis d’Amérique et en Europe (McDonald et al., 2018). Les COV émis par ces produits, qui comprennent l’éthanol, l’acétone et le toluène, peuvent être d’importants précurseurs d’aérosols organiques secondaires. Dans les villes où les émissions des véhicules ont été régulées, il importe de mieux prendre conscience de l’impact des autres sources de COV sur la formation d’ozone et d’aérosols organiques secondaires.

Problèmes et solutions actuels

Hong Kong (Chine), dans le smog et par temps clair (sous licence Creative Commons). Dans de nombreuses villes, les mesures de réduction des émissions visent à augmenter le nombre de jours de «ciel bleu».

Malgré une réduction des émissions de COV dans certaines régions du monde, la partie n’est pas gagnée. De nombreux pays commencent seulement à élaborer des normes et un cadre réglementaire pour la qualité de l’air. En outre, de vastes régions du globe, dont beaucoup souffrent d’une grave pollution due à l’ozone et aux particules, ont encore fait l’objet de trop peu d’études. Il faudra de solides programmes de surveillance de la qualité de l’air pour définir l’empreinte digitale COV de chaque ville et suivre son évolution.

En attendant de disposer de meilleures installations de mesures, des études de terrain ponctuelles et limitées peuvent fournir des renseignements précieux pour orienter les politiques. Par exemple, une courte campagne de terrain a permis d’établir que l’air de Lahore (Pakistan), l’une des villes les plus polluées du monde, avait une très forte teneur en éthylène et en acétylène, qui confirment la présence de gaz d’échappement (Barletta et al., 2017). En revanche, l’air de La Mecque (Arabie Saoudite) présentait des taux inattendus d’isopentane, révélant la présence de vapeurs d’essence, en plus de gaz d’échappement (Simpson et al., 2014). Il a donc été recommandé non seulement de promulguer des normes pour limiter les émissions des véhicules à La Mecque, mais aussi d’y appliquer une technique simple de réduction des vapeurs d’essence, comme l’ajout d’un dispositif de récupération de celles-ci dans les tuyaux des pompes à essence, afin de réduire les émissions de COV et l’exposition aux vapeurs quand les automobilistes se ravitaillent en carburant. Les stratégies de réduction des émissions peuvent ainsi être adaptées à chaque ville en fonction de son empreinte digitale COV particulière.

Échantillonnage de l’air dans la zone industrielle de Kot Lakhpat, à Lahore (Pakistan)

Dans d’autres régions dotées de programmes de surveillance de la qualité de l’air, une corrélation complexe entre l’accroissement des émissions de COV dans certains secteurs et leur diminution dans d’autres a été mise au jour. Par exemple, une augmentation globale persistante s’observe en Chine depuis 1990, malgré une baisse dans le secteur résidentiel et dans celui des transports depuis 2005 (Li et al., 2019). Cette augmentation, qui s’explique par un essor de l’industrie et une utilisation accrue des solvants, a seulement été atténuée par l’application de mesures de réduction efficaces dans les deux secteurs susmentionnés, surtout après la mise en œuvre par la Chine de son plan d’action pour la pureté de l’air, en 2013. La Chine surveille déjà activement les COV dans ses principales régions sources, notamment la plaine septentrionale et les deltas du fleuve Yangtze et de la rivière des Perles, ce qui lui offre une base solide pour suivre l’évolution des émissions de COV dans le pays (Guo et al., 2017).

Même lorsque les villes parviennent à réduire leur taux de pollution et à améliorer la qualité de l’air, elles peuvent encore dépasser les limites définies pour l’ozone et d’autres polluants. Le transport transfrontière est un autre problème déconcertant dans certaines régions, par exemple lorsque des zones voisines appliquent des normes différentes pour limiter la pollution ou les émissions. Il en résulte souvent un mélange complexe d’apports de sources de COV locales ou régionales, qui varient selon les conditions météorologiques, par exemple quand le vent change de direction. La détermination des apports respectifs des sources de pollution locales et régionales est un autre défi de la recherche sur la qualité de l’air.

La voie à suivre

Les taux élevés de pollution atmosphérique sont préoccupants pour la santé de l’environnement et des êtres humains dans les villes du monde entier. Il est possible de les réduire à l’aide des technologies actuelles. Les pays qui s’apprêtent à promulguer des normes de qualité pour l’air peuvent s’inspirer des expériences fructueuses d’autres régions et tirer des enseignements des problèmes qu’elles ont rencontrés. Grâce aux technologies limitant les émissions des véhicules et à l’adoption de combustibles plus propres, les émissions de COV provenant de la circulation ont diminué dans de nombreuses villes en dépit de l’accroissement du parc automobile. À mesure que les émissions provenant des sources liées au transport diminuent, d’autres peuvent devenir plus apparentes, comme celles des COV liés aux solvants ou à d’autres produits chimiques volatils. Il peut être judicieux de cibler simultanément plusieurs sources de COV, notamment par une réglementation de la circulation, des solvants et d’autres sources.

Pour parvenir à réduire les taux d’ozone, il convient de tenir compte de l’interaction complexe entre les COV, les oxydes d’azote et l’ozone lors de l’élaboration de toute mesure d’atténuation des COV. Outre les efforts pour réduire les émissions, une bonne gestion de la pollution atmosphérique doit comprendre une surveillance rigoureuse de la qualité de l’air. Il est recommandé de suivre l’évolution à long terme de chacun des principaux COV pour déceler les modifications de l’empreinte digitale COV de chaque ville à la suite de l’application des stratégies de régulation des émissions. Il n’empêche que les campagnes, à court terme, donnent une première indication appréciable des COV contribuant le plus à la formation d’ozone et d’aérosols organiques secondaires.

Activités de l’OMM concernant la qualité de l’air et les composés organiques volatils en milieu urbain L’OMM s’est engagée à participer au mouvement planétaire visant à réduire de deux tiers la mortalité due à la mauvaise qualité de l’air d’ici à 2030. Pour tenir cet engagement, l’OMM s’emploie à améliorer les données d’observation sur les taux de pollution de l’air et à fournir des outils pour prévenir les pics de pollution atmosphérique. Le Groupe consultatif scientifique sur les gaz réactifs de la Veille de l’atmosphère globale (VAG) de l’OMM coordonne les mesures, analyses et recherches mondiales sur les gaz à l’état de traces, y compris les composés organiques volatils (COV). Ces activités sont importantes pour mieux comprendre l’émission des polluants atmosphériques, leur formation, leurs interactions et leur appauvrissement. Beaucoup d’activités portent sur la mesure des concentrations générales (résumées ci‑après), mais certaines recherches se focalisent sur le milieu urbain. Le Projet de recherche de la VAG sur la météorologie et l’environnement en milieu urbain vise à améliorer les systèmes de prévision de la qualité de l’air et contribue un vaste projet sur les services urbains élaboré à l’OMM. Dans son document d’orientation sur les services urbains hydrométéorologiques, climatologiques et environnementaux intégrés, l’OMM indique la voie à suivre pour garantir la durabilité des villes et des communautés, qui est devenue l’un des objectifs de développement durable. L’OMM, qui encourage l’élaboration et la mise en œuvre de prévisions et d’alertes sur la qualité de l’air, œuvre en partenariat avec des acteurs du secteur de la santé et avec l’OMS pour fournir des informations intégrées sur le temps, le climat et l’environnement. À la fin des années 1990, les spécialistes des sciences de l’atmosphère ont suggéré d’intégrer les différentes capacités d’observation au sein de la VAG pour faciliter l’accès aux données et améliorer leur qualité. Le réseau général actuel sur les COV, qui apporte son concours à la VAG et collabore avec elle, propose (Schultz et al., 2015): La diffusion mondiale de données d’observation tirées de prélèvements hebdomadaires dans des flacons où les COV mesurés comprennent des hydrocarbures simples à chaîne courte (Helmig et al., 2016). Cette surveillance des COV, qui s’appuie sur le Réseau mondial de référence de l’Administration américaine pour les océans et l’atmosphère (NOAA) pour les gaz à effet de serre, a débuté en 2005. Elle n’est pas opérationnelle actuellement du fait de restrictions budgétaires. Des observations à long terme à l’aide de flacons depuis 1984, notamment sur les hydrocarbures à chaîne courte ou halogénés. Ces mesures sont effectuées quatre fois par an (une fois par saison) par l’Université de Californie à Irvine, dans un transect nord-sud de sites du Pacifique et des Amériques (Simpson et al., 2012). Des données communiquées par le réseau du Programme européen de surveillance et d’évaluation depuis le début des années 1990, y compris sur les hydrocarbures à chaîne courte (Tørseth et al., 2012). Des observations in situ continues aux stations VAG de Hohenpeissenberg (Allemagne), de Summit (Groenland), de mont Pico (Portugal), du Rigi et de la Jungfraujoch (Suisse), et de Cabo Verde (Cap-Vert).

Références

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