Rapport 2e partie

DEUXIEME PARTIE
Fiche n°1 : Relation entre ozone (O3) et oxydes d'azote (NOx)
Dans la troposphère, soit la couche atmosphérique qui se situe au niveau du sol, l'ozone est un polluant
essentiellement dit "secondaire", c'est à dire qu'il se forme à partir de plusieurs autres composés gazeux
dans l'air (les oxydes d'azote dont le monoxyde d'azote NO et le dioxyde d'azote NO2, et les composés
organiques volatils ou COV qui de façon simplifiée correspondent aux hydrocarbures), quant à eux, émis
dans l'atmosphère par différents types de sources telles les transports routiers, les activités industrielles,
etc. Ces derniers sont appelés polluants primaires ou encore polluants précurseurs.
Cette formation d'ozone qui résulte d'une suite de réactions chimiques complexes dans l'air, ne se fait que
sous l'influence du rayonnement solaire qui est en fait le moteur de ces interactions complexes. Plus le
rayonnement sera intense, plus la chaîne de réactions sera active. Il est alors question de réactions
photochimiques, et l'ozone caractérise donc la pollution photochimique de l'air.
Remarque : il est à noter en outre, que l'ozone formé par ces réactions photochimiques s'ajoute à un niveau
de fond naturel d'ozone existant dans l'atmosphère au niveau du sol, qui, en Europe, peut varier de 50 à 80
µg/m3.
Situation non polluée : L'équilibre entre oxydes d'azote et ozone
Propriétés chimiques de l'ozone
D'un côté sa formation est régie par la réaction
suivante :
(3p)
O
De l'autre, c'est un oxydant vigoureux :
+ O2 → O3 (1)
NO + O3 → NO2 + O2 (3)
avec comme seule source notable d' O(3p) dans
l'atmosphère la photolyse du NO2, soit sa
dissociation sous l'influence du soleil :
(3p)
NO2 → NO + O
cette réaction est considérée comme étant
instantanée à l'échelle du milieu ambiant.
(2)
La réaction (2) qui génère l'espèce chimique O(3p) nécessaire à la formation d'ozone (O3), génère en même
temps l'espèce qui consomme l'ozone, soit le monoxyde d'azote noté NO, comme le montre la réaction (3).
Ainsi, en milieu non pollué, il s'établit un équilibre entre la formation et la consommation de l'ozone. On
parle de situation d'équilibre, ou encore d'équilibre photostationnaire, qui fait que les concentrations en
ozone restent alors modérées dans l'air.
Cet équilibre est donc le résultat du cycle décrit ci-dessous qui met en jeu les 3 réactions précédentes sous
l'influence du soleil :
NO2 → NO + O(3p)
O(3p) + O2 → O3
O3 + NO → NO2 + O2
Cela s'écrit plus simplement par la réaction à double sens suivante :
✹
NO2 + O2 ↔ NO + O3
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Situation polluée : La production photochimique d'ozone et son accumulation
Pour que de fortes concentrations d'ozone se forment, il faut un mécanisme qui perturbe le cycle
précédent. Ce mécanisme doit à la fois :
1/ consommer rapidement le NO pour qu'il ne consomme plus l'ozone,
2/ régénérer le NO2 pour que la formation d'O(3p), et donc celle d'ozone, continue.
Cette perturbation est le fait de la présence d'hydrocarbures (notés HC) dans l'air ambiant et de leur
dégradation.
La dégradation des hydrocarbures dans l'air ne va plus permettre la réaction de consommation de l'ozone et
donc favoriser ainsi son accumulation, ce qui conduit aux pointes de pollution estivales à l'ozone,
rencontrées par temps chaud et ensoleillé.
Le schéma ci-dessous illustre ce phénomène.
Dégradation des hydrocarbures
HC attaqués par
radicaux OH
Radicaux
R1
Série de réactions
avec l'oxygène de l'air
(O2)
NO2 et
régénération du radical OH
Radicaux
R2
Les radicaux de type R2
oxydent ici le NO ; cette
réaction court-circuite donc
celle du NO avec O3 et ce
dernier peut ainsi
s'accumuler
Note :
Le terme de "radicaux" désigne des espèces chimiques plus ou moins complexes qui se retrouvent dans l'air
ERadicaux OH : composants de l'air ambiant
ERadicaux R1 : radicaux alcoyles
ERadicaux R2 : radicaux peroxyles
Au final, ce mécanisme de dégradation des hydrocarbures remplit bien les deux conditions nécessaires
citées ci-dessus et nécessaires à la formation et à l'accumulation d'ozone.
Ainsi, en présence de composés organiques volatils (ou plus simplement HC) le cycle précédent ne peut plus
se faire et seule la réaction à sens unique cette fois, conduisant à la formation d'ozone s'opère :
✹
NO2 + O2
→ NO + O3
Dégradation
des HC
Les implications apparaissent ici très nettes : c'est la transformation du NO2 sous l'influence du soleil et en
présence de composés organiques volatils, qui conduit à la formation et à l'accumulation d'ozone. Ainsi quand
les concentrations d'ozone augmentent, celles de dioxyde d'azote diminuent. Il est communément dit de ces
deux polluants (et plus globalement de l'ozone et des oxydes d'azote) qu'ils sont anti-corrélés, c'est à dire
qu'ils ont des variations opposées.
Cela explique une observation aujourd'hui devenue classique, à savoir que les maxima d'ozone s'observent là
où sont les minima d'oxydes d'azote, et vice versa. Ainsi, les concentrations les plus élevées d'ozone
s'observent-elles en zone rurale sous le vent des agglomérations, là où il y a peu d'émissions d'oxydes
d'azote, et les plus faibles en zones urbaines, là où les émissions d'oxydes d'azote s'intensifient. On parle
dans ce dernier cas de "puits d'ozone".
En terme de répartition de ces espèces, tout est question de proportions quant aux quantités de polluants
primaires émis.
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Fiche n°2 : L'ozone en zone littorale
Pourquoi observe-t-on, certains jours, des niveaux plus élevés d'ozone en zone littorale ? Ce
phénomène est à relier à une particularité météorologique des régions côtières. Cette
particularité porte le nom de brise de mer et brise de terre.
Ce phénomène a lieu surtout l'été et est particulièrement favorable à la formation d'ozone.
Durant la nuit, et une partie de la matinée, n'étant plus (ou moins) soumise au rayonnement
solaire, la terre perd sa chaleur, et ce plus rapidement que la mer. Un gradient de pression et de
température s'établit alors, la terre devenant plus froide que la mer. Il en résulte une baisse de
pression au dessus de l'eau. Afin de combler le vide relatif de cette zone de basse pression, un
écoulement d'air s'établit de la terre vers la mer. C'est ce qui s'appelle la brise de terre. La
figure ci dessous illustre ce phénomène.
Nuit &
Début de
matinée
Le phénomène de
brise de terre
Le jour, c'est le phénomène inverse qui se produit ; lorsque le soleil réchauffe la surface
terrestre, le réchauffement se fait rapidement sur la terre et lentement à la surface de l'eau.
En réchauffant le sol, l'air des basses couches monte et crée une zone de basse pression. Un
gradient de pression et de température s'établit entre les deux zones. Pour combler ce "manque
d'air" au dessus des terres, il se crée un appel d'air maritime et de l'air se déplace de la mer
vers la terre. C'est ce qui s'appelle la brise de mer. La figure ci-dessous illustre ce phénomène.
Après-midi
Le phénomène de
brise de mer
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L'exemple ci-dessous qui correspond à une situation observée une journée de juillet dans le
département de la Seine-Maritime, montre ce que le double phénomène de brise de terre – brise
de mer implique quant aux niveaux de pollution relevés sur le littoral.
Au cours de la nuit et encore durant une partie de la matinée, les polluants primaires, émis dans
les terres, sont déplacés en mer du fait de la brise de terre.
La journée avançant et le rayonnement solaire s'intensifiant, ces polluants interagissent, et sont
transformés, sous l'action du soleil, en ozone. L'ozone ainsi formé, est rabattu au cours de
l'après-midi vers les terres sous l'effet de la brise de mer.
Les figures et graphique ci-dessous illustrent le phénomène. Les résultats de 4 stations
automatiques (cercles jaunes) de type urbain, périurbain, rural et littoral sont ici explicités.
Matin
Après-midi
Littoral
Littoral
Seine-maritime
ROUEN
Seine-maritime
ROUEN
Périphérie
Centre ville
Périphérie
Centre ville
Rural
Rural
Durant la deuxième partie de la nuit et pendant la matinée, le vent était un vent de sud-sudouest comme le montrent les manches à air des trois stations météorologiques (brise de terre).
Dans l'après-midi, le vent tourne au nord-ouest sur le littoral, alors qu'on n'observe pas de
changement de direction notable dans les terres (brise de mer sur le littoral).
L'impact de l'effet brise de mer sur les concentrations d'ozone relevées apparaît clairement sur
le graphique ci-dessous où figurent les courbes journalières de concentration en ozone (µg/m3)
pour les différentes stations automatiques (centre ville de Rouen et sa périphérie, site rural à
l'ouest et site littoral au nord). Le niveau d'ozone mesuré sur le littoral dans l'après-midi reste
supérieur à ceux relevés sur les autres sites (dont le site rural), ce qui engendrerait un niveau
journalier voire hebdomadaire plus important sur ce site.
Un tel phénomène peut être comparé à un phénomène de recirculation de nappes d'air polluées.
80
70
L itto ral
R u ral
C e ntre v ille R ou en
P é rip hé rie R o ue n
60
Ozone
50
40
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
H eu res de la jou rné e
Profil journalier des stations automatiques
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Fiche n°3 : Cartographier la pollution atmosphérique : le recours aux outils
de simulation déterministe et d'assimilation
Dans le domaine de la qualité de l'air, deux sources principales d'information sont disponibles pour estimer
l'état de la pollution de l'atmosphère (i.e. les concentrations de polluants).
n La première source d'information correspond aux observations, c'est à dire les mesures réalisées par
les capteurs, qu'il s'agisse de stations fixes équipées d'analyseurs automatiques, ou bien d'échantillonneurs
passifs comme cela a été le cas dans le cadre de la campagne inter régionale. A partir de ces observations
ponctuelles, si elles sont en nombre suffisant, il est possible d'obtenir une meilleure représentation spatiale
(i.e. une cartographie) en utilisant des techniques dites d'interpolation, comme l'interpolation géostatistique
par exemple, qui a permis d'obtenir les cartographies présentées dans la première partie du rapport.
n
La seconde source d'information correspond à des simulations, issues d'un modèle numérique,
permettant de donner une estimation de l'état de la pollution hors des zones couvertes par la mesure.
L'accès à des simulations déterministes suppose donc la mise en œuvre d'un modèle. Un modèle numérique
(ou modèle déterministe) est un outil mathématique qui retranscrit, à l'aide d'équations, les différents
phénomènes qui entrent en jeu dans la pollution atmosphérique. Des phénomènes tels que le transport et la
diffusion des polluants, mais aussi les réactions chimiques qui s'opèrent dans l'air entre les différentes
espèces chimiques, sont mis en équations au sein d'un modèle numérique. Ce dernier résout l'ensemble de
ces équations pour obtenir en sortie une simulation de l'état de la pollution de l'air. Pour générer une
simulation, un modèle a besoin de données d'entrée qui viennent alimenter l'ensemble des équations mises
en jeu. Ces données d'entrées sont des informations sur les émissions de polluants (intensité, répartition…),
la météorologie (champs de vent, température, pression…), la topographie, l'occupation des sols et enfin sur
les conditions initiales (quelle était la qualité de l'air avant la période sur laquelle on souhaite obtenir une
simulation par exemple). Elles doivent être représentatives du domaine sur lequel on cherche in fine à
cartographier la pollution.
La figure ci-dessous montre un schéma de principe d'un système de modélisation.
Trafic
Industries
Chauffage
...
Topographie
Sol
Modélisation
des émissions
Modèle 3D de transport-diffusion réactif
(avec chimie) ou non réactif (sans chimie)
Observations vent,
température...
Population
Reconstitution 3D des champs
météorologiques
Conditions aux limites
Conditions initiales
Résultat de simulation = Carte de concentrations
Ainsi, la simulation numérique représente une autre façon de décrire et de surveiller la pollution
atmosphérique. Les exercices d'interpolation n'étant réalisables que si l'on dispose d'un nombre suffisant
de points de mesure, répartis de façon adéquate au sein du domaine d'étude, ils ne peuvent être menés sur
de vastes domaines que ponctuellement, à l'occasion de campagnes de mesure telle cette campagne inter
régionale de mesure par échantillonneurs passifs. En effet, pour un domaine aussi vaste, le nombre trop
limité et la répartition inadéquate des stations automatiques des différents réseaux n'autorisent pas ces
exercices.
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La simulation, encore appelée modélisation, est donc une bonne alternative pour aboutir à une répartition
spatiale, c'est à dire une carte, des concentrations de polluants sur de vastes domaines.
A titre d'exemple, les deux encadrés qui suivent montrent des résultats de simulation concernant le NO2,
pour deux périodes de 15 jours qui correspondent aux séries de mesure n°2 et n°5 de la campagne (c'est à
dire du 10 au 24 juillet 2000 pour la série n°2, et du 21 août au 4 septembre 2000 pour la série n°5).
Ces résultats ne concernent que la région Ile-de-France et non l'intégralité du domaine d'étude inter
régional. Comme il l'est précisé dans les lignes précédentes, la mise en œuvre d'une simulation nécessite un
certain nombre de données d'entrée connues sur l'ensemble du domaine d'intérêt. Or, pour le domaine inter
régional, les informations relatives aux émissions de polluants ne sont pas disponibles sur l'intégralité du
domaine à l'heure actuelle. Seules quelques régions disposent de ces données pour le territoire qu'elles
recouvrent. L'Ile-de-France est l'une d'entre elles. En outre, Airparif, le réseau francilien, est l'un des
réseaux français équipé d'un modèle numérique opérationnel. C'est cet outil qui a permis d'aboutir aux
résultats ci-dessous. Les résultats cartographiques obtenus à partir des résultats de mesure sont
également présentés de façon à pouvoir faire des comparaisons.
NO2 en Ile-de-France – période du 10 au 24 juillet 2000 (série 2)
Concentration
(µg/m3)
Résultat de l'interpolation
des mesures
Résultat de la simulation
NO2 en Ile-de-France – période du 21 août au 4 septembre 2000 (série 5)
Concentration
(µg/m3)
Résultat de l'interpolation
des mesures
Résultat de la simulation
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Si les résultats des simulations apparaissent moins précis que les cartes réalisées par interpolation des
mesures, ils sont néanmoins d'un grand intérêt puisqu'ils donnent une information sur la qualité de l'air là où
il n'y a pas de surveillance, mais où il existe des sources de pollution, comme des industries par exemple. Les
"taches" isolées qui apparaissent sur les simulations, notamment au cœur du département de la Seine-etMarne, traduisent la présence de sources de pollution isolées, non négligeables.
Enfin, un dernier élément d'intérêt à souligner est que les exercices de simulation offrent d'avantage de
possibilités. Ils permettent d'obtenir des simulations pour des pas de temps plus fins (pas de temps
horaire), et, en changeant les paramètres d'entrée, il est possible d'étudier différents scénarios. Ainsi par
exemple, si à la place d'observations météorologiques, ce sont des prévisions météorologiques qui sont
entrées dans le modèle, il est alors possible de faire des prévisions de pollution. Des changements au niveau
des informations relatives aux émissions de polluants peuvent conduire à simuler l'état de la qualité de l'air
pour différentes configurations ; par exemple que donnerait, au niveau de la qualité de l'air, une réduction
de moitié du trafic sur un domaine donné. La simulation permet de répondre à ce genre de problématique.
n Les deux points précédents ont présenté les deux axes méthodologiques les plus classiques actuellement
utilisés pour estimer l'état de la pollution de l'atmosphère.
Il existe une approche ultime. Il s'agit de la méthode dite d'assimilation. L'assimilation de données associe
les approches par mesure directe et par modélisation déterministe pour obtenir une meilleure
représentation spatiale (cartographie) des concentrations des polluants. Elle va chercher à minimiser la
différence entre les observations et les concentrations simulées, pour estimer au mieux un état (appelé
"analyse") plus proche de la réalité. Plus simplement, il s'agit de "corriger" les résultats de simulation en
utilisant les mesures de pollution effectuées par les stations du réseau de surveillance.
Cette méthode a en particulier été développée par le réseau d'Ile-de-France Airparif, et mise en œuvre
pour le polluant ozone au cours de l'été 2001. Elle devrait être opérationnelle pour le dioxyde d'azote à la
fin de l'hiver 2002. Il n'existe donc pas d'exemple pour l'été 2000.
Simplement de façon à illustrer ce qu'il est actuellement possible d'obtenir par assimilation, la figure cidessous montre, pour l'ozone, en Ile-de-France, des résultats obtenus au cours de l'été 2001 par cette
méthode. Figure également ci-dessous la cartographie issue directement du modèle numérique, de façon à
pouvoir apprécier le gain obtenu par la méthode d'assimilation.
Journée du 25 mai 2001
Résultat de la Simulation
Résultat de l'Assimilation
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Fiche n°4 : Une donnée capitale à connaître : les émissions de polluants
Comme il l'a été mentionné dans la fiche précédente, connaître les émissions de polluants est essentiel
quant à la mise en œuvre d'une modélisation de la pollution atmosphérique. Ce sont les émissions en effet,
qui, combinées aux conditions météorologiques, sont à l'origine des concentrations de polluants mesurées
dans l'air. Leur utilisation ne se borne d'ailleurs pas à la simple "alimentation", en tant que données
d'entrée, des systèmes de modélisation. Elles contribuent à expliquer le comportement spatial des polluants
lors de campagnes de mesure par exemple, mais aussi à comprendre l'évolution, à moyen ou long terme, de la
qualité de l'air.
Par connaître les émissions sur un domaine donné, à l'échelle d'une région par exemple, on entend :
1/ savoir quelles quantités de polluants sont émises par les différentes sources d'émissions (il est
ici question d'inventaire d'émissions),
2/ savoir comment ces émissions se répartissent dans l'espace (il est alors question de cadastre
d'émissions). Pour connaître cette répartition dans l'espace, il faut connaître les différentes
sources de polluants qui existent au sein du domaine d'étude et leur localisation.
Afin de mieux comprendre l'impact des émissions sur la qualité de l'air finalement observée, l'exemple cidessous montre, pour la région Picardie, le lien existant entre les émissions d'oxydes d'azote (NOx)
connues sur le domaine régional et les concentrations de dioxyde d'azote (NO2) mesurées dans l'air.
Les émissions de NOx se font essentiellement sous forme de monoxyde d'azote (NO). A partir du NO émis,
une réaction d'oxydation spontanée (voir ci-dessous) va conduire à la formation de NO2.
2 NO + O2 → 2 NO2
Les principales sources d'émissions de NO sont les gaz d'échappement des véhicules à moteur (il est plus
communément question de la source "trafic" ou "transport routier"), et toutes les autres sources de
combustion comme les chaufferies, les industries…
L'origine des NOx varie en fonction des différentes zones du domaine. En zone urbaine, elle sera multiple
puisqu'une telle zone regroupe différents secteurs d'activité sources de pollution (industriel, transport
routier, tertiaire, résidentiel…). A l'inverse, dans des communes rurales, le secteur résidentiel et le
transport routier sont les principales sources d'émissions.
Le graphique suivant présente l'origine des émissions de NOx selon la typologie de la commune pour la
région Picardie. Ces données sont issues de l'inventaire régional des émissions qui a été réalisé par Atmo
Picardie, à l'échelle communale pour l'année de "référence" 1999.
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Les deux figures qui suivent représentent pour l'une la répartition géographique, commune par commune,
des émissions d'oxydes d'azote en Picardie pour l'année 1999, et pour l'autre la cartographie des
concentrations moyennes de fond de NO2 (moyenne sur les 5 séries) observées sur ce même domaine.
Cartographie du dioxyde d'azote pour la région Picardie
(moyenne des 5 séries de mesure)
Attention : l'échelle de cette carte est
différente de celle des cartes précédentes
Il apparaît clairement que la répartition et l'intensité des émissions de NOx conditionnent l'allure des
champs de concentrations de NO2 dans l'air. Sur la seconde carte en effet, les zones où les concentrations
sont les plus élevées (soit aux environs des 20 µg/m3) correspondent à des regroupements de communes (ou
des agglomérations) où les émissions de NOx sont spatialement étendues et majoritaires par rapport au
reste du domaine régional.
De même, il reste cohérent de ne pas observer de relation particulière entre les émissions du trafic routier
de l'autoroute du Nord (dont le tracé est très visible sur la cartes des émissions) et les concentrations
observées sur ce même secteur. En effet, s'agissant de la pollution de fond, les concentrations sont
représentatives des niveaux moyens induits par les émissions diffuses de la zone d'étude, et non pas ceux
directement influencés par une source locale et spécifique.
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