Incidences du changement climatique sur la qualité de l’air
Introduction
La modification de la composition chimique de l’atmosphère, provoquée par une industrialisation massive, une agriculture et une urbanisation intensives ainsi que par le trafic routier, maritime et aérien, a conduit directement et indirectement à une augmentation du forçage radiatif qui modifiera à son tour les températures et les cycles hydrologiques de la planète.
Le forçage radiatif est dû essentiellement à l’augmentation des concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone, produit de la combustion de combustibles fossiles. Les émissions d’autres gaz à effet de serre, notamment le méthane et le protoxyde d’azote, ont également augmenté en raison des activités humaines. L’ozone est un gaz réactif qui nous préserve des effets nocifs du rayonnement ultraviolet, mais c’est aussi un gaz à effet de serre, qui, à fortes concentrations que l’on trouve par exemple dans un smog, a des effets préjudiciables sur la santé et la végétation. Enfin, les émissions dans l’atmosphère de dioxyde de soufre, précurseur de particules d’aérosols sulfatés, de particules de carbone noir et de particules organiques, ont aussi modifié le transfert radiatif dans l’atmosphère et, partant, le système climatique. Les particules d’aérosols sulfatés de diamètre inférieur au micron ont tendance à rétrodiffuser une fraction du rayonnement solaire incident vers l’espace, tandis que les particules de carbone noir absorbent une part importante du rayonnement solaire de courte longueur d’onde et influent sur le rayonnement terrestre dit de grande longueur d’onde.
En outre, les aérosols fournissent les noyaux de condensation qui facilitent la formation de gouttelettes de nuages. Leur présence dans l’atmosphère provoque des modifications sensibles de l’albédo et de la durée de vie des nuages, ce qui a des effets indirects sur le climat de la planète. En grandes quantités, les aérosols peuvent avoir aussi un effet sur la stabilité verticale de l’atmosphère et, lorsqu’ils sont déposés en surface, réduire l’albédo de la neige, ici encore avec des répercussions sur le climat.
Ces phénomènes sont très difficiles à quantifier, car ils font intervenir des processus microphysiques et chimiques complexes. L’action sur le climat des composés chimiques, et en particulier de la pollution atmosphérique, est donc difficile à estimer. Il est encore plus difficile d’évaluer l’incidence du changement climatique sur la composition chimique, et, notamment, sur la qualité de l’air.
Dans cet article, nous proposons d’étudier brièvement les processus qui déterminent les interactions du système climatique et de la composition chimique de l’atmosphère à différentes échelles. Nous examinerons plus spécialement les différents processus par lesquels les variations prévues de la température et des précipitations résultant de l’action de l’homme risquent à l’avenir d’influer sur la qualité de l’air.
Incidences des changements climatiques sur la composition chimique de l’atmosphère «de fond»
Des modèles climatiques (GIEC, 2007) ont été utilisés pour faire des projections concernant l’évolution de la température des précipitations moyennes durant les prochains siècles. Lorsqu’un scénario «statu quo» est adopté pour les simulations, la hausse prévue de la température moyenne à la surface du globe d’ici la fin du XXIe siècle est de 2,8°C, avec un réchauffement moyen de 3,5°C sur les terres émergées et jusqu’à 7°C dans l’Arctique. Ces variations, qui devraient se produire faute de mesures rigoureuses pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, auront des effets notables sur le système à composition multiples —physique, chimique, biologique, hydrologique— qui gouverne l’évolution de la planète à des échelles temporelles allant de la décennie au siècle.
La figure 1 met en lumière la complexité des interactions des écosystèmes continentaux et océaniques et des processus hydrologiques, biogéochimiques, photochimiques, microphysiques et climatiques. C’est pourquoi il est nécessaire de recourir à des recherches en laboratoire, à des observations et à la modélisation pour en comprendre les mécanismes.
En l’espèce, la recherche a besoin en priorité de tout un ensemble de dispositifs de surveillance, d’outils pour l’assimilation des données et de modèles de prévision qui intègrent une série d’informations hétérogène dans un cadre cohérent. L’être humain perturbe le système terrestre, non seulement en émettant des gaz à effet de serre, mais aussi en produisant et en libérant des aérosols et des composés réactifs ainsi qu’en modifiant l’utilisation des terres (notamment par la déforestation, l’irrigation et l’urbanisation). Toutes ces transformations causées par l’homme et le changement climatique qui en résulte risquent d’altérer la composition chimique de l’atmosphère.
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Figure 1 — Représentation schématique des interactions entre le climat, les gaz réactifs de l’atmosphère, les gaz à effet de serre, les aérosols, les écosystèmes et le réseau hydrographique (d’après Cox, communication personnelle) |
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Différents mécanismes peuvent expliquer l’incidence des changements climatiques sur la teneur en aérosols et en gaz réactifs de l’atmosphère:
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Les variations de la température atmosphérique affectent le rythme auquel se produisent les réactions chimiques; |
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Les variations de l’humidité atmosphérique affectent la production et la destruction des substances chimiques et, en particulier, la vitesse de destruction de l’ozone troposphérique; |
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Les variations de fréquence et d’intensité de la foudre ont des répercussions sur la production de monoxyde d’azote dans l’atmosphère, ce qui influe directement sur le bilan d’ozone dans la haute troposphère; |
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Les variations de la nébulosité affectent la composition de l’atmosphère en modifiant la pénétration des rayons solaires et, partant, l’activité photochimique de l’atmosphère; s’en trouve également modifiée la chimie hétérogène en phase aqueuse associée à la présence de nuages; |
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Les variations de fréquence et d’intensité des précipitations dues aux changements climatiques affectent le rythme auquel les espèces solubles sont éliminées de l’atmosphère; |
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Les variations de la température en surface et des précipitations affectent l’émission des composés chimiques et leur dépôt sur la végétation et le sol; |
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Les variations de la température des océans affectent les échanges entre ceux-ci et l’atmosphère de composés tels que le sulfure de diméthyle qui sont une source d’aérosols sulfatés; |
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Les variations de fréquence et d’intensité des épisodes prolongés de stagnation de l’air affectent la dispersion des polluants et augmentent la fréquence et l’intensité des épisodes de pollution, ce qui entraîne de graves conséquences pour la santé de l’homme; |
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Les variations de la circulation générale de l’atmosphère affectent le transport des polluants sur de longues distances, d’un continent à l’autre; |
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Les variations de l’activité de convective contribuent à modifier le transport vertical dans la composition chimique de la haute troposphère; |
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Les variations dans les échanges stratosphère-troposphère influent sur la concentration de substances chimiques, notamment de l’ozone, dans la haute troposphère; |
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Les variations d’intensité des vents à la surface des continents modifient la mobilisation des particules de poussière dans les zones arides et, de ce fait, la teneur en aérosols de la troposphère; |
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Les variations d’intensité des vents à la surface des océans modifient les échanges de gaz à l’état de traces à l’interface océan-atmosphère et affectent l’émission de particules de sel de mer dans la couche limite de l’atmosphère. |
Un exemple illustre bien les interactions du climat et de la chimie de l’atmosphère: l’action de l’isoprène, un hydrocarbure biogène libéré en grandes quantités par la végétation. Ces émissions augmentent notablement avec la température des feuilles. Une fois libéré dans l’atmosphère, l’isoprène est oxydé, ce qui contribue à la formation d’aérosols organiques secondaires, ainsi qu’à la production d’ozone quand le niveau d’oxyde d’azote est élevé. La plupart des oxydes d’azote présents dans l’atmosphère sont émis à la suite d’un processus de combustion.
Ainsi donc, le réchauffement climatique devrait augmenter l’émission dans l’atmosphère d’hydrocarbures biogènes tels que l’isoprène, ce qui contribuera à dégrader encore la qualité de l’air à l’échelle régionale; un surplus d’ozone et d’aérosols sera produit, non sans conséquences sur la santé et le forçage climatique.
Autre exemple d’interaction entre le climat et la composition chimique de l’atmosphère: les émissions de monoxyde d’azote par les bactéries du sol. Ces émissions, sensibles à la température et à l’humidité du sol, subiront le contrecoup du changement climatique. La multiplication des incendies de forêts dans les régions où la sécheresse devient plus fréquente ou plus intense augmentera de beaucoup les émissions d’effluents de combustion tels que le monoxyde de carbone, le monoxyde d’azote, la suie et d’autres composés, avec d’importantes conséquences sur la qualité de l’air à l’échelle régionale et même mondiale.
Enfin, l’augmentation de la fréquence de la foudre due au réchauffement climatique pourrait entraîner un accroissement des incendies d’origine naturelle, en particulier dans les régions boréales avec des émissions plus élevées de composés chimiques pyrogènes dans l’atmosphère. Dans chaque cas, non seulement la qualité de l’air en serait affectée mais aussi le forçage radiatif et donc le système climatique. Les rétroactions positives entre les systèmes chimiques et climatiques peuvent être déterminées, mais leur rôle dans le système terrestre risque d’être éclipsé par d’autres rétroactions —négatives— plus fortes qui maintiennent le climat dans des limites acceptables, du moins pour le moment.
La quantification des mécanismes de couplage entre la chimie de l’atmosphère et le climat exige l’élaboration de modèles complexes du système terrestre qui prennent en compte les interactions connues des processus chimiques et climatiques. Divers groupes à travers le monde utilisent actuellement de tels modèles, par exemple pour évaluer la vitesse de reconstitution de la couche d’ozone stratosphérique dans le contexte du changement climatique (après l’élimination progressive des halocarbures d’origine anthropique). On attend surtout de ces modèles qu’ils fournissent aussi des renseignements sur la réaction de la troposphère, plus particulièrement de l’ozone et des aérosols, aux futurs changements climatiques.
Plusieurs modèles de transport chimique ont été utilisés pour déterminer la réaction de l’ozone troposphérique aux variations du climat durant le XXIe siècle (voir, par exemple, Brasseur et al., 2006; Stevenson et al., 2006). Dans l’étude de Stevenson et al., neuf modèles globaux ont été employés pour savoir de quelle manière le changement climatique influerait sur l’ozone troposphérique d’ici l’année 2030. Bien que ces modèles présentent des différences sensibles, tous donnent à penser que, sous un climat plus chaud, la concentration d’ozone devrait décroître dans la basse troposphère avec l’accroissement de la concentration de vapeur d’eau, cela en raison d’une évaporation plus intense.
Parallèlement, la quantité d’ozone devrait augmenter dans la haute troposphère sous l’effet d’un accroissement de l’afflux d’ozone à partir de la stratosphère. Malgré les récents progrès de la modélisation dans ce domaine, aucune conclusion claire et nette ne s’est fait jour sur l’ampleur de la rétroaction entre ozone et climat ni même sur la question de savoir si elle sera positive ou négative. Une autre question reste sujette à débat: la probabilité de nouveaux épisodes d’ozone en réaction au changement climatique.
Les modèles couplés chimie-climat devraient également prendre en compte le rôle des particules d’aérosols. Le problème est complexe du fait que, en dehors des effets des aérosols sulfatés, le rôle de la suie et des aérosols organiques doit être pris en considération. Les aérosols organiques sont produits en grande partie par l’oxydation de gaz organiques biogènes, suivie de la condensation de molécules organiques oxygénées semi-volatiles. Comme nous l’avons indiqué plus haut, une large part des composés organiques gazeux est libérée par la végétation et les émissions correspondantes sont pour beaucoup fonction de la température. C’est pourquoi le réchauffement du climat devrait augmenter les émissions d’hydrocarbures biogènes et donc produire un surcroît d’aérosols organiques.
Les modèles climatiques d’aujourd’hui contiennent une représentation simplifiée des processus liés aux aérosols. Sur ce point, ils sont loin de correspondre à la réalité, en particulier lorsqu’ils traitent de la formation d’aérosols organiques secondaires. Le changement climatique influera sur les émissions de précurseurs d’aérosols, notamment de composés organiques volatils biogènes. Les modifications concernant la période à laquelle se produisent des phénomènes climatiques tels que le phénomène El Niño/Oscillation australe (ENSO) dans la Pacifique tropical, et leur intensité, se répercuteront sur les régimes de précipitations dans différentes parties du monde. Au cours des épisodes El Niño dans des régions comme l’Indonésie, qui connaissent la sécheresse et où la combustion de la biomasse est intense, les quantités de particules et les émissions de gaz sont en augmentation.
Bien des inconnues demeurent lorsqu’on veut comprendre les variations de la qualité de l’air qui résultent du changement climatique. Il en est ainsi des incidences que pourrait avoir la modification du transport sur de longues distances, de la ventilation de la couche limite et des échanges à travers la tropopause. Il faudrait également mieux évaluer les variations potentielles des émissions et des dépôts de surface causées par les changements climatiques. Certains problèmes en suspens pourraient être résolus par l’expérimentation en laboratoire et sur le terrain, la modélisation et l’observation par satellite.
Effets des vagues de chaleur sur la qualité de l’air à l’échelle régionale
Les vagues de chaleur permettent d’estimer comment la pollution de l’air pourrait évoluer sous l’effet de futurs changements climatiques. À cet égard, la canicule qui a touché l’ouest et le centre de l’Europe en août 2003 constitue un test intéressant. Au cours des deux premières semaines de ce mois, les températures journalières enregistrées à Paris on atteint de 35°C à 40°C, soit plus de 10°C au-dessus de la moyenne pour cette période de l’année. Plusieurs pays européens ont connu un taux de mortalité de 50 à 100 % supérieur à la normale. Au total, on a dénombré plus de 30 000 décès supplémentaires —5 000 en France, 5 000 en Allemagne, 6 000 en Espagne, 5 000 au Portugal et 5 000 au Royaume-Uni (Trigo et al.,2005). L’économie a beaucoup souffert, entre autres, des dommages causés aux cultures, des incendies de forêts ainsi que des glissements de terrain provoqués par le dégel de la toundra aux hautes latitudes.
Durant cette période caractérisée par des températures exceptionnellement élevées, on a observé des niveaux d’ozone produit par photochimie également élevés, notamment dans le centre de la France et le sud-ouest de l’Allemagne. Le 8 août, par exemple, de nombreuses stations ont signalé des concentrations d’ozone dépassant 180 μg/m3, c’est-à-dire très supérieures aux normes de qualité de l’air (voir la figure 2). On pense qu’un tiers environ des décès recensés au cours de la période considérée étaient liés à des problèmes de santé provoqués par ces concentrations excessives.
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Figure 2 — Concentration d’ozone |
Plusieurs facteurs expliqueraient les fortes concentrations d’ozone durant la vague de chaleur d’août 2003. Premièrement, l’augmentation des températures a favorisé la production chimique d’ozone dans la troposphère. Deuxièmement, la faible humidité de l’atmosphère a réduit la destruction d’ozone, de même que la production de radicaux hydroxyle, qui éliminent divers polluants atmosphériques, notamment les précurseurs de l’ozone. Troisièmement, la végétation a subi le contrecoup des températures élevées et de l’absence de précipitations, d’où une importante réduction de l’élimination, par dépôt sec sur la surface terrestre, de l’ozone et autres substances. Quatrièmement, les émissions de précurseurs de l’ozone biogène tels que l’isoprène se sont nettement intensifiées sous l’effet des hautes températures. Une augmentation de 60 à 100 % des émissions d’isoprène a été ainsi enregistrée (Sollberg et al., 2008). Enfin, une situation météorologique stable avec un ciel sans nuage deux semaines durant a créé des conditions favorables au confinement des polluants dans la couche limite et à une photochimie active.
Outre ces conditions locales, des incendies se sont déclarés sur de vastes étendues à la faveur de la sécheresse extrême qui a frappé en août l’Europe méridionale. À cet égard, le Portugal, par exemple, a connu l’une des pires saisons. D’après Hodzic et al., (2007), quelque 130 kilotonnes de fines particules d’aérosols (PM2.5) ont été émises à la suite des incendies qui ont éclaté en Europe pendant la canicule, ce qui a entraîné une concentration moyenne au sol de PM2.5 de 20 à 200 % (jusqu’à 40 μg/m3) sur le continent européen. Ces infimes particules d’aérosols, composées principalement de matière organique et de carbone noir, peuvent pénétrer profondément dans l’appareil respiratoire de l’homme et représenter donc un grave danger pour la santé. Toujours d’après Hodzic et al. (2007), la présence au-dessus de l’Europe de couches de fumée élevées a notablement altéré les propriétés radiatives de l’atmosphère: les résultats obtenus par les modèles laissent penser que les taux de photolyse ont baissé de 10 à 30 % et que le forçage radiatif de l’atmosphère a augmenté de 10 à 35 W/m3 au cours de la période où les incendies ont eu une influence marquée à travers une grande partie de l’Europe.
Les épisodes de pollution de l’air pourraient devenir plus fréquents et plus aigus sous l’effet de futurs changements climatiques. Les modèles climatiques montrent que la probabilité de vagues de chaleur devrait beaucoup augmenter au cours de ce siècle. Appliqués à la Suisse, par exemple, ils donnent à penser que la température moyenne du pays s’élèverait nettement et aussi que l’écart-type de la température doublerait d’ici la fin du siècle (voir la figure 3 et Schär et al., 2004). Ainsi, les étés chauds et secs deviendraient plus nombreux et, en moyenne, des vagues de chaleur telles que celle de 2003 pourraient survenir tous les deux ans en Europe. Par ailleurs, les modèles globaux (GIEC, 2007) montrent que l’écart-type de la température et donc la probabilité d’une vague de chaleur augmenterait dans maintes régions du monde. En conséquence, il faudrait s’attendre à ce que les épisodes d’ozone soient plus fréquents non seulement dans les régions urbanisées de l’hémisphère Nord, mais aussi dans les pays émergents (comme la Chine et le Brésil) qui connaissent à la fois une industrialisation rapide et une combustion intense de la biomasse. Du fait que les pays d’Europe et d’Amérique du Nord tentent de réduire les émissions anthropiques de polluants, la pollution atmosphérique risque d’offrir une résistance plus forte que prévu en raison du changement climatique.
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Figure 3 — Simulation par le modèle climatique régional de Schär et al. (2004) de la température moyenne et sa variabilité dans le nord de la Suisse pour les périodes 1961-1990 |
Conclusions
En résumé, les fortes concentrations d’ozone observées en Europe durant la vague de chaleur de 2003 résultaient d’une combinaison de facteurs météorologiques, chimiques et biologiques. Il est vraisemblable que pareils phénomènes météorologiques deviendront plus fréquents à l’avenir. Il est donc nécessaire de mieux comprendre les liens qui existent entre le climat, les écosystèmes et les cycles biogéochimiques, car les interactions entre ces différents systèmes influent directement sur la qualité de l’air.
Lorsque l’on considère ces interactions d’un point de vue régional aussi bien que mondial, il importe de replacer la pollution de l’air dans un contexte planétaire. C’est-à-dire que les modèles pour l’avenir devront intégrer les processus relatifs:
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Au climat physique, notamment la dynamique et la microphysique à toutes les échelles; |
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À la chimie de l’atmosphère (gaz réactifs et particules d’aérosols) et les cycles biogéochimiques (notamment les cycles du carbone et de l’azote); |
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Aux écosystèmes terrestres et aux processus hydrologiques (écosystèmes aménagés et non aménagés); |
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Aux interactions des facteurs naturels et sociaux (énergie, agriculture, infrastructures côtières et autres aménagements humains). |
Lorsqu’on s’interroge sur l’avenir, l’une des grandes questions qui se posent n’est pas seulement de mieux comprendre le comportement des différentes composantes du système terrestre, mais aussi d’élaborer une théorie des couplages afin que l’évolution de notre système planétaire soit mieux représentée par des modèles numériques englobant tous les aspects.
Remerciements
Nous exprimons notre vive gratitude à Claire Granier, Alma Hodzic, Jean-François Lamarque et Christine Wiedinmyer pour leur précieux concours lors de nos discussions.
Bibliographie
Brasseur, G.P., M. Schultz, C. Granier, M. Saunois, T. Diehl, M. Botzet, E. Roechner et S. Walters, 2006: Impact of climate change on the future chemical composition of the global troposphere, J. Climate, 19, 3932-3951.
Hodzic, A., S. Madronich, B. Bohn, S. Massie, L. Menut et C. Wiedinmyer, 2007: Wildfire particulate matter in Europe during summer 2003: Meso-scale modeling of smoke emissions, transport and radiative effects, Atmos. Chem. and Phys., 7 (15), 4043-4064.
Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), Changements climatiques 2007: les éléments scientifiques. Contribution du Groupe de travail I au quatrième Rapport d’évaluation du GIEC (S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor et H.L. Miller (Eds.)). Cambridge University Press, Cambridge, Royaume-Uni et New York, NY, États-Unis d’Amérique, 996 p.
Schär, C., P.L. Vidale, D. Lüthi, C. Frei, C. Häberli, M.A. Liniger et C. Appenzeller, 2004: The role of increasing temperature variability in European summer heatwaves, Nature, 427, 332-336.
Sollberg, S., Ø. Hov, A. Svøde, I.S.A.Isaksen, P. Codeville, H. De Backer, C. Forster, Y. Orsilini et K. Uhse, 2008: European surface ozone in the extreme summer 2003, J. Geophys. Res., 113, D07307, doi: 10.129/2007JD009098.
Stevenson, D.S., F.J. Dentener, M.G. Schultz et al., 2006: Multimodel ensemble simulations of present-day and near-future tropospheric ozone, J. Geophys. Res., 111, D8301, doi:10.1029/2005JD006338.
Trigo, M.C., R. Garcia-Herrera, J. Diaz, I.F. Trigo et M.A. Valente, 2005: How exceptional was the early August 2003 heatwave in France?, Geophys. Res. Let., 32, L10701, doi:10:1029/2005GL022410.
Vautard, R., C. Honoré, M. Beekmann et L. Rouil, 2005: Simulation of ozone during the August 2003 heatwave and emission control scenarios, Atmos. Environ., 39, 2957–2967.
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* Centre national de recherche atmosphérique (Boulder, Colorado, États-Unis d'Amérique)