Pollution atmosphérique - CEREA-ENPC

Pollution atmosphérique
Bruno Sportisse, [email protected]
CEREA, Joint Laboratory Ecole des Ponts/EDF R&D
INRIA/ENPC CLIME project
2007
B. Sportisse
Pollution atmosphérique
2007
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Pour commencer
Souvent de la confusion ...
• « Le réchauffement de la planète est une conséquence très prévisible des
atteintes portées à la couche d’ozone, suscitées par une industrialisation
croissante. »
(un journal de la presse régionale française, août 2003)
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Historique
Plan
1
Historique
2
Des pollutions atmosphériques
3
Accidents, impacts et corpus réglementaire
4
Un jeu multiacteurs
5
Rôle de l’expertise scientifique
6
Organisation
B. Sportisse
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Historique
Quelques dates
-500
300
1200
1272
1390
1648
1692
1727
1840
1852
1872
1905
1930
50’s
70’s
80’s
90’s
Lao Tseu décrit l’impact de l’activité humaine sur l’environnement.
Régulation locale à York (abattoir et brasserie).
Moses Maimonides décrit la pollution atmosphérique.
Édouard Ier interdit l’usage du charbon à proximité du Palais royal.
Richard II régule l’usage du charbon à Londres.
Fumifugium de John Evelyn.
A general history of the Air de Robert Boyle.
Stephen Hales observe l’acidité de la rosée (Vegetable Statics).
Christian Schönbein identifie l’ozone.
Robert Angus Smith distingue diverses zones de pollution.
Robert Angus Smith écrit Air and Acid Rain.
Harold Antoine des Vœux introduit le terme de « smog ».
Sidney Chapman propose un cycle pour l’ozone stratosphérique.
Arie Jan Haagen-Smit étudie le smog photochimique (Los Angeles).
Mécanismes de l’ozone stratosphérique (Crutzen, Rowland, Molina).
Compréhension du « trou d’ozone » stratosphérique.
Chimie atmosphérique, effet de serre et climat.
TAB .: Un rapide historique.
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Historique
Fumifugium
F IG .: Fumifugium or the Inconveniencie of the Aer and Smoak of London dissipated
together with some remedies humbly proposed by J.Evelyn Esq. to His Sacred Majesty, and
to the Parliament now assembled (1648).
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Historique
London Smog (pea soupers)
F IG .: Le Parlement, trouée de soleil dans le brouillard. Claude Monet, 1905. Musée
d’Orsay, Paris.
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Historique
Robert Angus Smith
Air and Acid Rain : the Beginnings of a Chemical Climatology (1852-1872)
• « [...] we may therefore find easily three kinds of air, [...], that with carbonate of
ammonia in the fields at a distance, [...], that with sulfate and ammonia in the
suburbs, [...] and that with sulphuric acid, or acid sulphate, in the town ».
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Historique
1000
m or t s
PM
SO2
Nombre de morts
900
800
700
2.5
2.0
1.5
600
1.0
500
400
0.5
300
200
0
2
4
6
8
0.0
10 12 14 16
Particules et SO2 (en mg m 3)
Big Smoke (Great London Smog)
Date (DeÂcembre 1952)
F IG .: Great Smog (Londres, décembre 1952) : évolution de la mortalité, de la concentration
de dioxyde de soufre (SO2 ) et des fumées (particules). L’unité des concentrations est le
mg m−3 (soit un facteur cent par rapport aux concentrations modernes !).
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Des pollutions atmosphériques
Plan
1
Historique
2
Des pollutions atmosphériques
3
Accidents, impacts et corpus réglementaire
4
Un jeu multiacteurs
5
Rôle de l’expertise scientifique
6
Organisation
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Des pollutions atmosphériques
Classification
« Pollution »
London smog
Historique
Londres 1952
Espèces
SO2
Échelle
locale
Cadre
CAA (1956)
Photochimie
Los Angeles
(40’s)
NOx , COV
ozone
locale
régionale
Directive « O3 »
(1992)
Pluies acides
Pollution
transfrontière
É.-U. (60’s)
Europe (70’s)
SO2
sulfates
nitrates
régionale
US CAA (70’s)
CLRTAP (1979)
Göteborg (1999)
Ozone
stratosphérique
« Trou »
(80’s)
CFC
globale
Montréal (1987)
Effet de serre
et climat
90’s
CO2
CH4
globale
Kyoto (1997)
TAB .: Des pollutions atmosphériques. L’échelle « régionale » est à prendre au sens
météorologique du terme (de la région française au continent).
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Accidents, impacts et corpus réglementaire
Plan
1
Historique
2
Des pollutions atmosphériques
3
Accidents, impacts et corpus réglementaire
4
Un jeu multiacteurs
5
Rôle de l’expertise scientifique
6
Organisation
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Accidents, impacts et corpus réglementaire
Quelques grands accidents
1873
1909
1930
1948
1952
1962
1966
1984
1986
Londres
Glasgow
Vallée de la Meuse (Belgique)
Donora (États-Unis)
Londres : Great Smog
Londres
New York (24-30 novembre)
Bhopal (Inde)
Tchernobyl (URSS)
1000 morts ( ?)
1000 morts
60 morts
20 morts
4000 morts
750 morts ( ?)
168 morts
2000 morts
?
smog soufré
smog soufré
smog soufré
smog soufré
smog soufré
smog soufré
smog soufré
accident chimique
accident nucléaire
TAB .: Quelques « grands accidents » liés à la pollution atmosphérique.
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Accidents, impacts et corpus réglementaire
Historique du cadre réglementaire
1853
1863
1895
1947
1956
1963
1965
1970
1979
1980
1987
1990
1992
1996
1996
1997
1999
2001
Smoke Nuisance Abatement Metropolis Act.
Alkaly Act (Grande-Bretagne).
Réglementation sur les fumées d’automobiles (États-Unis).
Los Angeles Air Pollution Control District.
British Clean Air Act.
US Clean Air Act (US CAA).
Title II US CAA (Motor Vehicle Air Pollution Control Act).
Clean Air Act Amendments et création de l’US EPA (É.-U.).
Convention sur la pollution transfrontière (Genève).
Directive « SO2 » (Union européenne).
Protocole de Montréal (ozone stratosphérique).
Title IV US Clean Air Act (pluies acides).
Directive « ozone » (Union européenne).
Directive « cadre » sur la qualité de l’air (Union européenne).
Loi sur l’air et l’utilisation rationnelle de l’énergie (France).
Protocole de Kyoto.
Protocole de Göteborg (multipolluants, multimilieux).
Directive « NEC » (National Emissions Ceilings ; U.E.).
TAB .: Un rapide historique du cadre réglementaire.
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Accidents, impacts et corpus réglementaire
Pollution transfrontière
En Europe
• « [...] air quality in any European country is measurably affected by emissions
from other European countries ... [and] if countries find it desirable to reduce
substancially the total deposition of sulphur within their borders, individual
national control programmes can achieve only a limited success » (Programme
OCDE sur le transport longue distance des polluants atmosphériques, 1977).
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Accidents, impacts et corpus réglementaire
Pollution transfrontière
1984
1985
1988
1991
1994
1998
1998
1999
Financement long terme d’EMEP.
Réduction des émissions de soufre de 30 %.
Contrôle des émissions ou des flux transfrontières de NOx .
Contrôle des émissions ou des flux transfrontières de COV.
Réduction supplémentaire des émissions de soufre.
Polluants organiques persistants (POP).
Métaux lourds.
Acidification, eutrophisation et ozone au sol.
TAB .: Les protocoles de la CLRTAP, dont EMEP est le bras armé pour l’évaluation, la
mesure et la modélisation (Co-operative Programme for Monitoring and Evaluation of the
Long-range Transmission of Air pollutants in Europe).
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Accidents, impacts et corpus réglementaire
Plafonnement des émissions (directives NEC)
Cible NEC
2010 (estim.)
1000
800
600
400
G . B.
I t al i e
Lettonie
Lithuanie
M al t e
P ay s B as
P ol ogn e
P or t u gal
Slovaquie
SloveÂnie
SueÁde
0
Danemark
E s t on i e
Finlande
F r an c e
Allemagne
Hongrie
200
Autriche
B e l gi q u e
C h y p re
TcheÂquie
EÂmissions de NOx (en kilotonnes)
1200
F IG .: Comparaison entre, d’une part, les plafonds d’émissions 2010 prévus pour les NO x
par la directive « NEC » et, d’autre part, les estimations (2006) des divers plans nationaux
(scénario avec les mesures prévues). Source : [? ].
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Un jeu multiacteurs
Plan
1
Historique
2
Des pollutions atmosphériques
3
Accidents, impacts et corpus réglementaire
4
Un jeu multiacteurs
5
Rôle de l’expertise scientifique
6
Organisation
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Un jeu multiacteurs
Pouvoirs publics (réseaux de surveillance)
Nombre de stations ozone
450
400
350
300
250
200
150
100
50
1990
1992
1994
1996
AnneÂe
1998
2000
2002
F IG .: Évolution de 1991 à 2001 du nombre de stations de mesure de l’ozone en France.
Source : ADEME (Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie).
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Un jeu multiacteurs
Secteurs émetteurs
Pays
Autriche
Danemark
France
Allemagne
Italie
Évolution (en %)
−90
−90
−80
−90
−75
Pays
Pays-Bas
Pologne
Suisse
Suède
Grande-Bretagne
Évolution (en %)
−[85, 90]
−[60, 65]
−[80, 85]
−[85, 90]
−90
TAB .: Évolution (en %) des émissions de SO2 de 1980 à 2000 en Europe. Entre crochets,
intervalle des valeurs estimées.
Zone
Europe (UE25)
États-Unis
NOx
−31
−16
COV
−39
−16
CO
−45
+14
TAB .: Évolution (en %) des émissions de NOx , COV et CO de 1990 à 2002, en Europe et
aux États-Unis.
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Un jeu multiacteurs
Secteur automobile
1.0
CO V
Euro
Euro
Euro
Euro
0.5
0.0
1993
1996
2000
2005
NOx
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
-3.0
-0.2
CO
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
F IG .: Évolution de la réglementation pour les émissions unitaires des
véhicules à essence en Europe (normes Euro 1993-2005). Les unités sont
adimensionnées. Le polygone de « contraintes réglementaires » est défini par
les NOx dans le sens des abscisses positives, par les COV dans le sens des
ordonnées positives, par CO dans le sens des ordonnées négatives.
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Un jeu multiacteurs
Secteur automobile
UE-15
ACEA
JAMA
KAMA
Global
2003
164
163
172
179
1995-2003
−11.8 %
−11.9 %
−12.2 %
−9.1 %
Essence
2003
171
171
170
171
1995-2003
−9.5 %
−9.0 %
−11.0 %
−12.3 %
Diesel
2003
157
154
177
201
1995-2003
−12.3 %
−12.5 %
−25.9 %
−35.0 %
TAB .: Valeur en 2003 (en g km−1 ) et évolution sur la période 1995-2003 des émissions de
CO2 pour les nouveaux véhicules à essence et diesels dans l’Union européenne des
Quinze (UE-15), selon l’origine des constructeurs (ACEA pour les européens, JAMA pour
les japonais, KAMA pour les coréens).
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Un jeu multiacteurs
Secteur automobile
70
25
65
20
60
15
55
10
50
5
45
0
40
-5
35
-10
-10
-5
0
5
10
15
20
25
F IG .: Contribution (en %) des émissions du trafic routier aux pics d’ozone (Europe, été
2001). L’estimation est effectuée en comparant une simulation avec les émissions connues
et une simulation sans les émissions du trafic routier. Elle ne tient donc pas compte des
effets non linéaires de la photochimie (chapitre ??). Simulation à l’aide du système
P OLYPHEMUS. Crédit : Yelva Roustan, CEREA.
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Rôle de l’expertise scientifique
Plan
1
Historique
2
Des pollutions atmosphériques
3
Accidents, impacts et corpus réglementaire
4
Un jeu multiacteurs
5
Rôle de l’expertise scientifique
6
Organisation
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Rôle de l’expertise scientifique
Rôle décisif
Exemples
la compréhension des processus (on est ici au niveau de la recherche) ;
la prévision environnementale
les études d’impact
les études climatiques sur la composition chimique de l’atmosphère, l’effet de
serre additionnel et le changement climatique ;
• la modélisation inverse des flux d’émission
•
•
•
•
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Rôle de l’expertise scientifique
Exemple de la prévision
Chernobyl Accidental Release, 25 April-5 May 1986
P OLYPHEMUS run, Forecast Emergency Center IRSN/CEREA
1986-04-26T13:03:00
Chernobyl
1E-01
B. Sportisse
1E+00
1E+01
1E+02
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Rôle de l’expertise scientifique
Études d’impact
1.50
PM2.5 moyen
1.25
55
1.00
50
lat
0.75
45
0.50
0.25
40
0.00
35
-10
-5
0
5
10
15
20
lon
-0.25
F IG .: Contribution (en %) des émissions du parc de production thermique français pour les
niveaux de concentrations de PM2.5 . Année 2001. Simulation à l’aide du système
P OLYPHEMUS. Crédit : Yelva Roustan, CEREA.
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Rôle de l’expertise scientifique
Dilemmes atmosphériques : biocarburants
Espèce
COV (total)
Méthane
Formaldéhyde (HCHO)
Acétaldéhyde (CH3 CHO)
Monoxyde de carbone (CO)
NOx
PM en masse
PM en nombre
E85 versus Essence
[+34, +95] %
[+43, +340] %
[+7, +228] %
[+1250, +4340] %
[-38, +320] %
[-59, +17] %
+ 31 %
+100 %
Signe
+
+
+
+
?
+
+
TAB .: Évolution des émissions d’un véhicule lors du passage d’un carburant essence
classique à un biocarburant type E85 (éthanol). PM désigne les particules (particulate
matter).
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Rôle de l’expertise scientifique
Dilemmes atmosphériques : fines particules
dN/d log(dp ) (particule cm−3 )
Nouvelle motorisation (faible teneur en soufre)
109
Vieille motorisation (teneur en soufre élevée)
107
dp (µm)
0.01
0.1
1
F IG .: Évolution qualitative de la distribution en taille des particules à proximité d’un tuyau
d’échappement de voiture (mesures) : nouvelle motorisation (teneur en soufre faible)
versus ancienne motorisation (teneur en soufre élevée).
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Rôle de l’expertise scientifique
Dilemmes atmosphériques : pollution versus effet de
serre
Geo-engineering pour l’effet de serre
• « [...] this can be achieved by burning S2 or H2 S, carried into the stratosphere
on ballons and by artillery guns to produce SO2 [. . . and this has to be viewed
] as an escape route against strongly increasing temperatures . . . »
(P. J. Crutzen)
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29 / 32
Organisation
Plan
1
Historique
2
Des pollutions atmosphériques
3
Accidents, impacts et corpus réglementaire
4
Un jeu multiacteurs
5
Rôle de l’expertise scientifique
6
Organisation
B. Sportisse
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Organisation
Classification
« Pollution »
London smog
Historique
Londres 1952
Espèces
SO2
Échelle
locale
Cadre
CAA (1956)
Photochimie
Los Angeles
(40’s)
NOx , COV
ozone
locale
régionale
Directive « O3 »
(1992)
Pluies acides
Pollution
transfrontière
É.-U. (60’s)
Europe (70’s)
SO2
sulfates
nitrates
régionale
US CAA (70’s)
CLRTAP (1979)
Göteborg (1999)
Ozone
stratosphérique
« Trou »
(80’s)
CFC
globale
Montréal (1987)
Effet de serre
et climat
90’s
CO2
CH4
globale
Kyoto (1997)
TAB .: Des pollutions atmosphériques. L’échelle « régionale » est à prendre au sens
météorologique du terme (de la région française au continent).
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Organisation
Questions traitées
1
Questions traitées
Comment classifier les pollutions atmosphériques ?
Quels sont les ordres de grandeur à connaître ?
Mots-clés : bases, émissions, temps de résidence.
2
Quelle incidence a la composition chimique sur les bilans d’énergie ?
Quelle est la relation entre pollution atmosphérique et visibilité ?
Mots-clés : transfert radiatif, effet de serre.
3
Quel impact ont les conditions météorologiques sur la pollution ?
Quelles sont les spécificités urbaines ?
Mots-clés : couche limite atmosphérique.
4
Quels sont les grands cycles de la chimie atmosphérique ?
Comment se forme un épisode de pollution photochimique ?
Quelle est l’efficacité des mesures de réduction des émissions ?
Mots-clés : chimie atmosphérique.
5
Quel rôle jouent les particules atmosphériques (aérosols) ?
Comment évoluent-elles ? Qu’est-ce qu’une pluie acide ?
Mots-clés : microphysique, dynamique des aérosols.
6
De quels outils de modélisation dispose-t-on à présent ?
Quelles sont leurs utilisations et leurs limites ?
Mots-clés : modèles de chimie-transport, simulation numérique.
TAB .: Questions posées, disciplines scientifiques et mots-clés par chapitre.
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