Air de Paris

Gérard Toupance (professeur de chimie de l'atmosphère à l'Université Paris XII de Créteil)

Retranscription du texte du reportage "Air de Paris"

Comme toutes les métropoles modernes, Paris s'asphyxie !

Même si l'absence du chauffage au charbon ou au bois et la disparition de nombre d'usines dans la région a fait diminuer la pollution dans la capitale, aujourd'hui le parisien est bien plus sensible à cette question. D'un jour à l'autre des pics de pollution sont annoncés sans que ces alertes ne puissent être attribuées à des changements notables dans les activités humaines. Quels sont les différents facteurs qui conditionnent les niveaux de pollution ? Quelle est la dynamique de la formation de ce phénomène ?

Gérard Toupance : "Il est 6 heures du matin, tout recommence. Des millions de personnes, comme moi, viennent de faire des gestes analogues, tout à fait anodins, mais qui sont la cause, pour une large part des phénomènes de pollution. J'allume le gaz, j'allume l'électricité, je pousse le chauffage, je consomme de l'eau chaude. L'ensemble de ces activités sont consommatrices d'énergie. Cette consommation dépend complètement de l'heure, de la saison ; la nuit on consomme peu, beaucoup moins que le jour, l'hiver on se chauffe beaucoup plus que l'été. Par conséquent les émissions de polluants vont être quelque chose très dépendant du temps avec des cycles sur 24 heures qu'on appelle des cycles journaliers et des cycles le long de l'année qu'on appelle des cycles saisonniers. Les quelques sources que j'ai évoqué sont ce qu'on appelle des sources fixes. les polluants sont émis dans des cheminées en altitudes à des niveaux différents. Le chauffage aux environs de 20 mètres, peut être, et puis les centrales électriques ou les grandes centrales industrielles qui émettent dans des cheminées très hautes de l'ordre de 100 à 200 mètres.
Le trafic automobile, lui aussi extrèmement variable, au cours de la journée. Ses caractéristiques sont tout à fait nouvelles. Il s'agit d'émetteurs de pollution qui se situent au niveau du sol, ce sont des sources qui sont mobiles qui sont très nombreuses même si chacune d'entre elle émet relativement peu."

Alors, quels sont les polluants qui sont émis ?

Gérard Toupance : "Les oxydes d'azote. Les moteurs émettent du monoxyde d'azote, du monoxyde de carbone CO, des composés organiques, hydrocarbures en particulier qui sont des imbrûlés des essences. Alors l'ensemble de ces polluants sont ce qu'on appelle des polluants primaires qui sont directement émis dans l'environnement. Et en fait, ils subissent par la suite de nombreuses transformations chimiques qui les transforment en d'autres composés, ces composés sont appelés polluants secondaires. En ville, la densité de population est beaucoup plus grande. Par conséquent on doit s'attendre à ce, que pour ce qui concerne les polluants primaires, c'est là que les concentrations seront les plus élevées."

Alors, comment les mesurer ?

Jacques Donati (LCSQA-Préfecture de Police) : "Nous sommes à Paris, près d'une station de surveillance de la pollution atmosphérique et cette station est chargée tout particulièrement de mesurer dans l'atmosphère les polluants primaires de l'automobile. Voyez que nous sommes très près des véhicules qui s'arrêtent à quelques mètres voire moins. Alors l'air est prélevé en partie supérieure par ce champignon, il pénètre dans l'appareil par la tubulure. Les particules de poussière sont collectées par un filtre disposé sous ce plateau et ensuite les filtres sont ramenés une fois par semaine au laboratoire pour analyse."

Hélène Marfaing (adjoint au directeur AIRPARIF) : "Dans cette station nous mesurons différents polluants, nous surveillons différents polluants. Par exemple, le dioxyde de souffre, le SO2 qui est un polluant d'origine industrielle. Nous mesurons aussi le monoxyde d'azote (le NO) ou le dioxyde d'azote. Le monoxyde d'azote, le NO est un polluant d'origine automobile, un polluant primaire. Nous mesurons aussi l'ozone qui est un polluant secondaire qui est le résultat de réactions chimiques."

Gérard Toupance : "Ce qui se passe c'est que les composés qui sont émis dans l'atmosphère, le sont dans un milieu extrémement variable dans lequel ils sont dilués. Ils sont dilués plus ou moins selon les conditions atmosphériques. Les polluants se trouvent transportés par le vent. On voit ici que le panache s'éloigne de la source. Ca c'est un premier cas, c'est la dilution par transport . Le deuxième cas ce sont les transports verticaux qui sont illustrés par ces volutes superbes que nous voyons ici et qui montrent que les polluants se trouvent dilués aussi selon la dimension verticale. Alors ceci est un exemple. En réalité, nous allons voir dans un instant comment est-ce que, dans les basses couches de l'atmosphère, se font ces dispersions verticales, lesquelles jouent un rôle absolument capital dans la fixation des épisodes de pollution.
Quelle est la situation pendant une belle matinée de printemps? Le sol s'est refroidit pendant la nuit et est donc surmonté d'une couche d'air assez froid donc dense et au dessus de cette couche d'air se trouve de l'air plus chaud et donc plus léger.
Cette première solution représente la couche supérieure de l'atmosphère. Elle a été réalisée par un mélange d'eau douce et d'eau salée de façon à lui donner la structure interne convenable."

Benoit Pier (Doctorant LADHY X Ecole Polytechnique) : "Maintenant nous allons réaliser la couche inférieure de l'atmosphère modélisée par cette solution d'eau colorée plus dense qui va être injectée à l'aide de cette seringue à travers le petit fil qu'on plonge doucement jusque dans le fond de la cuve pour ne pas perturber le milieu déjà préparé."

Gérard Toupance : "Ce liquide représente la couche inférieure dense de l'atmosphère dans laquelle sont émis les polluants des trafics automobiles et du chauffage."

Un modèle c'est toujours une réduction de la réalité, l'avantage c'est de pouvoir visualiser et quantifier un phénomène même si il peut paraître étrange de faire tenir Paris dans un bocal.

Gérard Toupance : "Nous allons voir comment évolue cette couche lorsque le sol est réchauffé par les rayons du soleil."

Benoit Pier : "On va allumer le laser pour bien visualiser le fond de la cuve. Je vais maintenant réchauffer le fond de la cuve pour modéliser le réchauffement solaire."

Gérard Toupance : "Donc, on voit ici la couche inférieure de l'atmosphère qui progressivement s'éléve et se mélange avec la couche supérieure et ceci vous le voyez très bien crée un brassage de l'atmosphère. D'une part une dilution puisque que la couche inférieure se trouve mélangée à la couche supérieure ce qui fait que dans cette couche maintenant qui est mélangée la concentration des polluants s'homogénéise relativement bien dans un volume qui, vous le voyez, est progressivement de plus en plus grand.
Nous avons ici une image extrèmement intéressante cette zone ici qui n'est pas chauffée représente en fait ce que nous avions tout à l'heure en début de matinée à savoir une couche très peu épaisse qui dans la réalité fait quelques dizaines de mètres jusqu'à une centaine peut être 200 mètres dans certains cas. Et puis, au contraire, à gauche ici nous avons ce qui se passe en milieu de journée avec un chauffage extrèmement intense du sol avec une couche de mélange extrèmement développée comme vous le voyez et dont l'altitude atteint typiquement des valeurs entre 500 et 1 500 mètres selon les situations. Et vous voyez l'énorme différence d'épaisseur qui en fait sur les polluants va évidement se traduire par une modification très importante des concentrations de ceux ci.
On a vu que les différentes sources de pollution émettent une quantité de polluant que je note "Q". Ces polluants sont émis dans l'atmosphère, dans un certain volume que je note "V". En fait ce qui pose un problème environnemental c'est la concentration. C'est à la concentration que nous sommes sensibles. Je la note "C". Et la concentration par définition c'est la rapport "Q" sur "V". Par conséquent tout ce qui agit sur la valeur de "Q" et tout ce qui agit sur la valeur de "V" va conditionner la valeur de la concentration. Résumons nous : les variations des émissions de concentration de polluants sont évidemment très important mais aussi l'heure de la journée qui comme on l'a vu conditionne le volume dans lequel les polluants sont émis."

Reprenons notre voyage parisien aux beaux jours.

Gérard Toupance : "Prenons le cas parlant des émissions de polluants automobiles. Je vais vous le dessiner. Là, je représente l'évolution au cours de la journée. La quantité de polluants émise est faible au cours de la nuit, augmente de façon importante le matin, reste importante en cours de journée et diminue comme ça le soir. Alors maintenant, la variation de la hauteur de couche de mélange. Elle est faible au cours de la nuit et puis elle augmente en cours de journée, au milieu de journée pour redescendre le soir. Alors quand on combine ces deux courbes en faisant le rapport des deux. On voit que la concentration va être forte le matin, puis va diminuer au cours de journée pour remonter un peu le soir. Mais ce n'est pas toujours le cas car en hiver on peut aussi observer un maximum de concentration en milieu de journée c'est quand le temps est froid, sec et qu'il n'y a pas de vent un véritable couvercle se forme alors sur la ville. Le volume dans lequel se mélange les polluants reste faible, la couche de mélange s'élève peu et la concentration des polluants augmente alors tout au long de la journée."

Voici une représentation spatiale du pic de pollution par le dioxyde d'azote sur Paris d au trafic automobile, le 15 janvier 1997. Les couleurs représentent les concentrations de polluant. Du vert pour les plus faibles au noir pour les plus fortes en passant par le jaune, l'orange, le rouge et le marron. Alors que dans des conditions normales la pollution chute en fin de matinée, ici elle progresse tout au long de la journée pour atteindre un maximum en fin d'après-midi. Les pics de pollution ne sont-ils qu'un phénomène matinal ou hivernal ? Que se passe-t'il lors d'une belle journée d'été ?

Gérard Toupance : "Nous sommes en milieu de journée, la couche de mélange s'est bien développée. Il se forme au dessus de la ville un véritable réacteur chimique soumis au rayonnement solaire. Dans ces conditions les polluants primaires émis au niveau du sol subissent des transformations chimiques qui donnent naissance à de nouveaux composés : les polluants secondaires, dont l'ozone est le principal. On comprend donc que ces composés, polluants secondaires, voient leur maximum plutôt en milieu de journée et en été c'est à dire d'avril à septembre. Bien entendu ces composés sont aussi soumis aux variations de la hauteur de la couche de mélange mais néanmoins le résultat est que l'ozone varie, par exemple ici en août sur Paris, les concentrations sont minimales le matin et sont maximales ici en milieu de journée entre 15 et 16H00."

Hélène Marfaing :"Nous avons des niveaux d'ozone élevés l'été lorsqu'il y a réaction chimique, lorsqu'il y a photochimie, transformation du dioxyde d'azote en ozone."

Pour un même trafic automobile apparaissent en fonction des saisons différents types de pollutions. Les quantités de polluants émis sont responsables de la pollution atmosphérique mais ce sont les mouvements de l'atmosphère ou l'absence de mouvement qui fixent les concentrations en polluants.
Les scientifiques ont isolés les paramètres de l'air du temps: intensité des émissions, conditions météorologiques, topographie et réactions chimiques dans l'atmosphère.

Comprendre mieux et analyser d'avantage ces phénomènes permettront peut être d'agir avec plus d'efficacité.

Glossaire

Monoxyde d'azote
Les molécules de monoxyde d'azote sont composées de deux atomes, un atome d'oxygène et un atome d'azote. Aux températures et pressions ambiantes, ces molécules sont sous forme gazeuse transparente. Quand elles sont mêlées à de l'oxygène, elles réagissent avec lui et se transforment en dioxyde d'azote (voir plus bas).

Dioxyde d'azote
les molécules de dioxyde d'azote sont composées d'un atome d'azote et de deux atomes d'oxygène. Aux pressions et températures ambiantes, elles forment un gaz brun rouge suffocant.

Ozone
Les molécules d'ozone sont composées de trois atomes d'oxygène (alors que les molécules de l'oxygène que nous respirons ne sont composées que de deux atomes d'oxygène). L'ozone est dangereux pour la santé. Il est plus dense que l'air, de sorte que celui qui est produit l'été, quand les gaz d'échappement sont éclairés par la lumière solaire, s'accumule au ras du sol. Il existe également de l'ozone dans la très haute atmosphère : il protège contre les rayonnements ultraviolets, qu'il absorbe.