Afin de permettre à chacun une lecture et une compréhension
aisées de ce rapport concernant la surveillance de l'air
ambiant, il est utile de rappeler quelques concepts relatifs
à la qualité de l'air, à sa surveillance et à son évaluation.
D'une façon générale, on peut considérer que la pollution
de l'atmosphère est la résultante de divers phénomènes,
dont certains peuvent être contradictoires. Il s'agit
d'échanges entre l'atmosphère et les autres compartiments de
l'environnement qui soit amènent des polluants (émissions),
soit les consomment (déposition et transformation). Les
émissions font l'objet d'inventaires, ayant pour objet
d'évaluer les rejets dans l'air de substances telles que le
dioxyde de soufre, les oxydes d'azote, les monoxyde et dioxyde de
carbone, le méthane et les composés organiques volatils (hors
méthane), l'ammoniac, les composés organiques persistants et
les métaux lourds.
Pour chacun des polluants, les niveaux atteints
sont comparés aux références disponibles. Celles-ci peuvent
être des valeurs limites qui doivent obligatoirement
être respectées, et dont le dépassement implique
l'élaboration de plans de réduction visant à diminuer la
pollution. Il existe également des valeurs cibles aussi
appelées valeurs guides qui sont indicatives, ainsi que
des seuils d'alerte, seuils d'information, seuils
de protection de la santé et seuils de protection
de la végétation.
Des objectifs de qualité ont également été
déterminés pour la plupart des polluants. Ils s'appuient sur
les connaissances apportées par les législations
internationales et étrangères, ainsi que sur les
recommandations de l'O.M.S. et parfois sur les normes portant sur
l'hygiène industrielle (conditions aux postes de travail).
Ces objectifs de qualité sont utiles à plus d'un titre :
Toutes ces références comprennent une valeur à ne pas
dépasser pour un paramètre statistique déterminé (moyenne,
centile, etc) permettant de synthétiser les données recueillies
pendant la durée d'observation fixée. Elles mentionnent en
outre une durée d'échantillonnage à laquelle se rapportent les
données collectées.
Pour évaluer la potentialité d'effets à long terme, on
choisira de longues périodes d'observation (par exemple 1 an);
pour les effets à court terme, ces périodes seront courtes (par
exemple 1 jour).
Certains polluants induisent des effets à court et long
terme; dans ce cas, deux types (ou plus) de valeurs limites sont
prévues, les valeurs de référence associées à de courtes
expositions étant beaucoup plus élevées que celles relatives
à de longues expositions.
Air ambiant: air extérieur de la troposphère, à
l'exclusion des lieux de travail (Directive 96/62/CE).
Pollution de l'atmosphère: toute émission dans l'air,
quelle qu'en soit la source, de substances gazeuses, liquides ou
solides susceptibles de porter atteinte à la santé humaine, de
nuire aux animaux et aux plantes ou de causer un dommage aux
biens et aux sites (loi de 1964).
Polluant : toute substance introduite directement ou
indirectement par l'homme dans l'air ambiant et susceptible
d'avoir des effets nocifs sur la santé humaine et
l'environnement dans son ensemble (Directive 96/62/CE).
Niveau : concentration d'un polluant dans l'air ambiant
ou son dépôt sur les surfaces en un temps donné (Directive
96/62/CE).
Les définitions ci-après font référence à des effets. Il
est bien évident qu'il s'agit des effets connus et attribués à
la pollution atmosphérique dans l'état actuel des
connaissances.
Evaluation : toute méthode utilisée pour mesurer,
calculer, prévoir ou estimer le niveau d'un polluant dans l'air
(Directive 96/62/CE).
Valeur limite : niveau fixé sur base de connaissances
scientifiques, dans le but d'éviter, de prévenir ou de réduire
les effets nocifs sur la santé humaine et/ou l'environnement
dans son ensemble (Directive 96/62/CE).
Valeur cible (valeur guide) : niveau fixé dans le but
d'éviter davantage à long terme des effets nocifs sur la santé
humaine et/ou l'environnement dans son ensemble, à atteindre
dans la mesure du possible sur une période donnée (Directive
96/62/CE).
Seuil d'alerte : niveau au-delà duquel une exposition
de courte durée présente un risque pour la santé humaine (Directive
96/62/CE).
Seuil d'information : niveau au-delà duquel il existe des effets limités et transitoires pour la santé humaine en cas d'exposition de courte durée pour des catégories de population particulièrement sensibles (AGW du 13/10/94).
Seuil de protection de la santé : niveau qui ne devrait pas être dépassé afin de sauvegarder la santé humaine en cas d'épisodes prolongés de pollution (AGW du 13/10/94).
Seuil de protection de la végétation : niveau
au-delà duquel la végétation peut être affectée (AGW du
13/10/94).
Objectif de qualité : niveau qui ne devrait pas être
dépassé pour respecter au mieux l'environnement.
L'atmosphère est la fine couche de gaz qui entourant notre
planète est entraînée dans son mouvement de rotation.
Les forces gravitationnelles (type de forces régissant le
mouvement des planètes) l'empêchent de se disperser dans
l'espace.
L'épaisseur de l'atmosphère est estimée à 500 km, elle est
qualifiée de fine par rapport au rayon de la terre (6730 km). On
peut considérer que plus de 99 % de sa masse est concentrée
dans les 50 premiers km. Ceci est dû au fait qu'au fur et à
mesure que l'on s'élève dans l'atmosphère, la pression diminue
fortement.
Figure
1 : Variation de la température et de la pression en
fonction de l'altitude
C'est pour la même raison que la composition de l'atmosphère
varie avec l'altitude et que l'on observe un phénomène de
ségrégation : les gaz les plus légers ont une tendance
naturelle à s'élever et présentent donc des concentrations
plus élevées en altitude qu'au sol.
Malgré ce phénomène, on peut cependant considérer que la
composition de l'atmosphère est homogène, pour les composants
majeurs, dans la première couche de 100 km. Elle est
synthétisée au Tableau 1 pour les gaz.
L'air contient également des poussières, des aérosols ainsi
que de l'eau sous diverses formes (eau, vapeur, glace).
| Composants majeurs (%) | |
| Azote (N2) | 78.09 |
| Oxygène (O2) | 20.95 |
| Argon (Ar) | 0.93 |
| Dioxyde de carbone (CO2) | 0.033 |
| Composants mineurs (ppm) | |
| Néon (Ne) | 18 |
| Hélium (He) | 5 |
| Krypton (Kr) | 1 |
| Xénon (Xe) | 0.09 |
| Méthane (CH4) | 1.5 |
| Monoxyde de carbone (CO) | 0.1 |
| Hydrogène (H2) | 0.5 |
| Protoxyde d'azote (N2O) | 0.25 |
Tableau
1 : Composition de l'air
Il est erroné de croire que la composition de l'atmosphère
est restée stable depuis les origines de la terre jusqu'à
l'avènement de la société industrielle. Certes, on a pu
remarquer, grâce à l'étude des bulles d'air emprisonnées dans
les glaces de l'Antarctique, une augmentation notoire, allant
jusqu'au doublement, depuis 250 ans, des concentrations de gaz
tels que le CO2 et le méthane. L'importance de ce
phénomène reste néanmoins très faible par rapport aux
bouleversements qui se sont produits depuis les origines de la
Terre.
En effet, il est généralement admis que l'atmosphère, à
l'origine, était très différente de celle dans laquelle nous
vivons et s'apparentait aux gaz émis par les éruptions
volcaniques. Ainsi elle ne contenait probablement pas d'oxygène
mais de l'eau, du dioxyde de carbone, de l'azote et du sulfure
d'hydrogène. C'est à la suite du refroidissement de la terre
que l'on a assisté à une condensation de la vapeur d'eau
(produisant les océans). De plus, la concentration en CO2 a
fortement diminué du fait de sa dissolution dans les océans et
de sa fixation dans les sédiments. De ce fait, la vapeur et le
CO2 sont devenus minoritaires par rapport à l'azote.
Ensuite, avec l'apparition de formes de vie végétale, la
photosynthèse a permis la formation de l'oxygène à partir du
CO2.
On estime que ces phénomènes se sont déroulés pendant une
période allant d'il y a 4 milliards d'année à 600 millions
d'années, soit bien avant l'apparition de l'homme !
1.2.1. Fonctions de l'atmosphère
L'atmosphère protège la terre et ses habitants de la chute
de la plupart des météorites, du bombardement des particules
cosmiques et de l'incidence des dangereux rayonnements solaires
ultraviolets. Elle atténue les variations climatiques au niveau
global par le déplacement des masses d'air. Elle participe à
l'équilibre thermique de la terre par l'effet de serre. Elle
apporte les éléments gazeux nécessaires à la vie. Enfin, elle
participe aux échanges de matière et d'énergie entre les
différents milieux terrestres (lithosphère, biosphère,
océans, ruissellements de surface).
Le climat, en un lieu donné, peut être défini comme la
synthèse des conditions météorologiques régnant en cet
endroit dans un rythme journalier et saisonnier. Cette synthèse
est caractérisée par des statistiques, calculées sur plus
d'une décennie, des éléments météorologiques (phénomènes
atmosphériques qui caractérisent l'état du temps en un lieu et
un instant donné).
L'atmosphère influence le climat tant au niveau global qu'au
niveau local.
A l'échelle de la terre, deux éléments influencent la
température moyenne (paramètre climatique) en surface : la
quantité d'énergie solaire incidente et la composition de
l'atmosphère, en particulier, en ce qui concerne les gaz et
particules présentant un potentiel d'effet de serre important
(voir point 1.2.2.3.). La circulation des masses d'air résulte
d'un déséquilibre géographique du bilan thermique (apport
solaire - perte par rayonnement infrarouge) entre l'équateur et
les pôles. En effet, les régions tropicales reçoivent plus de
chaleur solaire qu'elles n'en émettent sous forme infrarouge
alors que la situation aux pôles est opposée. Ce phénomène
induit une circulation des masses d'air froid depuis les pôles
en direction de l'équateur et de masses d'air chaud en sens
inverse. Dans la région des pôles, la dominante est la
circulation de courants froids. Dans la région de l'équateur,
la dominante est la circulation de courants chauds.
A l'échelle d'un pays comme le nôtre, les variations
climatiques observées sont dues principalement aux effets du
relief, de la continentalité et de la nature du sol.
L'influence du relief se marque sur la direction et la vitesse
du vent, ainsi que sur l'ensoleillement du fait des différences
de l'orientation des bassins versants. Pour la nature du sol, on
note l'influence des variations du couvert végétal et de
l'humidité du sol. Enfin, la continentalité se marque par une
fluctuation plus importante des températures et une diminution
des précipitations. En effet, les nuages se forment en
particulier au-dessus des océans et les masses d'air,
lorsqu'elles traversent des régions continentales, tendent à
perdre une partie de plus en plus grande de l'eau transportée
(nuages), de ce fait les précipitations sont de moins en moins
importantes.
L'effet de serre est un processus physique naturel. Il
s'apparente au phénomène rencontré lorsqu'un rayonnement
solaire pénètre au travers d'une vitre dans un espace clos
(serre, voiture, etc). Dans ce cas, le rayonnement solaire, dont
les longueurs d'ondes sont courtes, traverse aisément la vitre,
est absorbée par un milieu récepteur (objets, plantes, etc.) et
réémis par ce milieu sous forme de rayonnements de grandes
longueurs d'ondes auxquels la vitre est opaque (comme un mur
l'est pour la lumière visible). Le rayonnement est en partie
réfléchi et en partie absorbé par la vitre. L'énergie solaire
est alors piégée dans cet espace clos et la température y
augmente.
Le changement de longueur d'onde est dû au fait qu'un objet
quelconque émet un rayonnement dont la longueur d'onde est
fonction de sa température (proportionnel à l'inverse de la
quatrième puissance de la température absolue 1/T4).
Le soleil ayant une température d'environ 6.000° K et la terre
de 288°K, les longueurs d'ondes sont très différentes.
L'effet de serre atmosphérique met en oeuvre les mêmes
phénomènes, mais est quelque peu plus complexe.
Schématiquement, le rayonnement solaire incident (1)
pénètre facilement jusqu'à la surface de la terre où il est
absorbé (2), car l'atmosphère est relativement transparente
pour les rayonnements de faibles longueurs d'ondes. Une partie
assez faible du rayonnement solaire incident (1) est cependant
dévié vers le vide interstellaire et une autre partie est
absorbée sur le trajet.
La terre émet à son tour un rayonnement de grande longueur
d'onde (3). L'atmosphère est très opaque à ce type de
rayonnement, du fait de la présence de certains gaz ayant la
particularité de l'absorber (vapeur d'eau, dioxyde de carbone,
ozone, méthane, protoxyde d'azote, CFC etc.). Schématiquement,
les couches atmosphériques absorbent le rayonnement et
réémettent à leur tour un rayonnement infrarouge dont une
partie descend vers la terre (5) et une partie s'éloigne dans
l'espace. La température au sol est la résultante du
rayonnement solaire absorbé (2) et du flux de rayonnement
infrarouge descendant (5).
En réalité, les phénomènes d'absorption du rayonnement
infrarouge et de réémission par les molécules de gaz
absorbants se déroulent dans l'ensemble du volume de
l'atmosphère. Cela signifie qu'un rayon partant de la terre va
rencontrer une première molécule de gaz et être absorbé. Un
rayonnement sera réémis par la molécule dans toutes les
directions (comme le soleil émet dans toutes les directions de
l'espace); ces rayons vont rencontrer d'autres molécules de gaz
et le phénomène recommencera. C'est donc un genre de collision
en chaîne qui se déroule dans l'atmosphère.
En l'absence de gaz absorbants pour les rayonnements
infrarouges dans l'atmosphère, la température moyenne à la
surface de la terre serait de -18°C au lieu des 15°C
enregistrés actuellement. La différence, soit 33°C est
attribuable à l'action de l'effet de serre dans les conditions
actuelles de densité et de concentrations de notre atmosphère.
Cela signifie que l'effet de serre est un phénomène utile sans
lequel la vie sur terre serait très différente de ce que nous
connaissons, voire même impossible, car les variations entre les
températures diurnes et nocturnes seraient extrêmes si elles
étaient influencées par la seule incidence d'énergie solaire
(lumière).
Le danger relatif à cet effet de serre est, en
réalité, sa variation. La concentration de certains gaz à
effet de serre (GES) est en augmentation depuis le début de
l'Ere industrielle et menace de perturber l'équilibre thermique
global de la planète. L'augmentation de température
conséquente serait d'environ quelques degrés mais aurait des
conséquences très importantes sur l'étendue des glaces, le
climat, les précipitations, etc. C'est pourquoi des programmes
de réduction des GES sont élaborés par les instances
internationales et nationales.
1.2.2.3. Couche d'ozone et ozone
troposphérique
L'ozone (O3) résulte de la recombinaison d'une
molécule d'oxygène (O2) avec d'un atome d'oxygène
(O) provenant du bris d'une tierce molécule.
Il est présent dans toute l'atmosphère à raison de quelques ppm (quelques molécules par millions de molécules des gaz constitutifs de l'air). Ces concentrations ne restent néanmoins pas constantes dans toute son épaisseur. Les niveaux les plus importants sont atteints dans la stratosphère (entre 10 et 50 km d'altitude). C'est pourquoi on parle d'ozone stratosphérique, par opposition à l'ozone troposphérique (entre 0 et 10 km d'altitude). Ce dernier se forme lors de périodes de fort ensoleillement, en présence de précurseurs tels que les oxydes d'azote et les composés organiques volatils.
Il s'agit du même composé, présentant le même ensemble de
propriétés. Néanmoins, l'environnement étant différent,
certaines propriétés sont " masquées "
dans le cas de l'ozone troposphérique ou stratosphérique.
Ainsi, vu l'absence de formes de vie dans les couches
stratosphériques, les propriétés irritantes pour les yeux et
les muqueuses ne sont pas mises en évidence!
Ozone stratosphérique
Dans cette couche de l'atmosphère, la réaction de formation
de l'ozone est initiée par l'action brisante, sur une molécule
d'oxygène, des radiations solaires UVC (UltraViolet :
rayonnement lumineux de faibles longueurs d'ondes et très
énergétiques, on parle des UVA, UVB et UVC qui sont les plus
dangereux). Sa destruction, par l'action du même rayonnement UV,
produit une molécule d'oxygène (O2) et un atome
d'oxygène (O). Par la suite, ce dernier pourra de nouveau
participer à la réaction de formation de l'ozone.
La présence importante d'ozone dans la couche allant de 10 à
50 km s'explique par la nécessité de disposer simultanément
des deux composants de la réaction de formation. A une altitude
plus élevée, l'oxygène se raréfie; à une altitude plus
faible, les radiations UVC sont insuffisamment présentes.
Dans les couches élevées de l'atmosphère, les rayons UV
sont donc présents en quantité et c'est leur
" consommation " par les réactions
précitées qui permet leur faible incidence à la surface de la
terre. La couche d'ozone agit, à ce propos, comme un filtre.
C'est la raison pour laquelle on parle de "
bouclier " d'ozone contre les UV. Il s'agit là d'un
bien grand mot car il est constitué d'une infime quantité de
gaz. D'après les calculs, elle ne présenterait qu'une
épaisseur de trois millimètres si tout l'ozone se trouvait
rassemblé à la surface de la terre, dans les conditions de
température et de pression y régnant habituellement. Lorsque
les scientifiques parlent de la variation d'épaisseur de la
couche d'ozone, ils utilisent ces mêmes artifices de calcul.
L'épaisseur de la couche d'ozone évolue naturellement dans
l'espace et dans le temps. Ainsi, bien que la formation d'ozone
se produise surtout à l'équateur, l'épaisseur est plus
importante aux pôles grâce au phénomène de déplacement des
masses d'air. A l'échelle d'une année, aux pôles, on observe
une variation importante de cette épaisseur en raison de la
stagnation des masses d'air pendant la période hivernale. Si la
probabilité de former de l'ozone y est extrêmement faible par
contre, sa destruction a toujours lieu. Elle est même facilitée
par des phénomènes particuliers. De ce fait, la couche d'ozone
se réduit de moitié au cours de cette période. C'est ce que
les scientifiques appellent le trou dans la couche d'ozone!
Heureusement, vers le mois de décembre, l'arrivée de masses
d'air plus riches rétablit peu à peu les concentrations en
ozone habituelles, pour atteindre un maximum dans le courant du
printemps.
Différents facteurs peuvent influencer l'épaisseur de la
couche d'ozone stratosphérique. Certains sont naturels comme les
éruptions volcaniques dont l'action est défavorable à la
couche d'ozone et l'intensité de l'activité solaire pouvant
jouer dans les deux sens. D'autres sont anthropiques (dus à
l'action des humains), tels que l'augmentation de concentration
en chlore et de ses dérivés tels que les CFC dans la
stratosphère. Ces produits peuvent être mis en jeu dans des
réactions de destruction de l'ozone. Ils influencent donc
l'équilibre entre création et destruction de l'ozone, dans le
sens d'une plus grande destruction, et par conséquent d'une
diminution de sa concentration.
La diminution de la couche d'ozone est préjudiciable à
la vie sur terre car elle serait accompagnée d'une augmentation
de radiations UV. Divers phénomènes, dont les suivants, sont
prévisibles tant au niveau des plantes que des humains et des
animaux :
Ozone troposphérique
Dans la troposphère, la réaction de formation de l'ozone est
initiée par l'action brisante des radiations solaires UVA ou UVB
sur une molécule de dioxyde d'azote formant ainsi un atome
d'oxygène et une molécule de monoxyde d'azote. En effet, il n'y
a plus suffisamment de radiations UVC pour initier la réaction
rencontrée dans la stratosphère.
La destruction de l'ozone est due à sa réaction avec le
monoxyde d'azote pour reformer du dioxyde d'azote.
Dans une atmosphère non polluée, les réactions
s'équilibrent et la concentration en ozone est faible.
En présence de pollution par les COVs (Composés Organiques Volatils) les NOX (oxydes d'azote) appelés tous deux les précurseurs, et de fortes radiations solaires (UVA et UVB), l'équilibre est rompu et on assiste à une augmentation de la concentration en ozone au sol.
C'est le phénomène de SMOG photochimique. Celui-ci est
caractérisé par une diminution de la visibilité et par des
atteintes aux humains, animaux, plantes et matériaux; de plus,
il est une composante de l'acidification. En ce qui concerne la
santé humaine, on observe des affections respiratoires, des
irritations des muqueuses et des yeux. Certaines études tendent
même à démontrer que la conjugaison de fortes chaleurs et de
concentrations élevées en ozone a un effet non négligeable sur
la mortalité.
Il est très difficile de juguler le phénomène, dès qu'il a
démarré. Les seules actions efficaces consistent à diminuer,
à long terme, la pollution pour les deux précurseurs. La
complexité des réactions chimiques qui contribuent à la
formation de l'ozone se reflète dans la difficulté à les
limiter. La limitation à court terme des teneurs en précurseurs
est, à cet égard, relativement inefficace et peut conduire à
des résultats inverses de ceux recherchés. La diminution des
épisodes de fortes concentrations d'ozone est un défi capital
pour les autorités.
Les mélanges entre l'ozone stratosphérique et
troposphérique sont habituellement marginaux. Il est donc
erroné de croire que l'ozone troposphérique peut contribuer à
apporter une solution à la diminution de l'épaisseur de la
couche d'ozone. Par contre, il arrive que des courants
descendants rapides apportent au sol depuis la stratosphère des
quantités importantes d'ozone. Ce phénomène donne lieu à
l'enregistrement de fortes concentrations d'ozone à des moments
incongrus, par exemple la nuit, en hiver ou au printemps.
1.3. Buts et effets de la surveillance de
la pollution atmosphérique
Lorsqu'un phénomène particulier se manifeste, la démarche
scientifique permettant d'interpréter sa genèse nécessite dans
un premier temps d'en identifier les causes potentielles. Pour ce
faire, l'idéal serait de connaître l'état de l'environnement
avant son apparition et les modifications qui y sont survenues
concomitamment. Il convient ensuite d'émettre des hypothèses
quant aux mécanismes qui y ont donné lieu et de les vérifier.
Ceci étant réalisé, on peut établir des stratégies visant à
supprimer, ou tout au moins, à réduire le phénomène.
L'efficacité de ces stratégies sera attestée, sinon par un
retour à l'état initial de l'environnement, au moins par
l'amélioration de la situation.
Telle est actuellement la démarche qui préside à la
surveillance de la pollution atmosphérique. Historiquement, il a
fallu des épisodes dramatiques de pollution, ayant pour
conséquence la mort de nombreuses personnes, pour que l'on
commence à se préoccuper de l'évaluation de la qualité de
l'air. Le lien de cause à effet avec la pollution étant
évident, les pouvoirs publics ont été persuadés de la
nécessité d'améliorer la qualité de l'air. Pour ce faire, il
a fallu établir des normes de qualité de l'air, réduire les
émissions de polluants et surveiller la qualité de l'air pour
évaluer l'impact des actions prises. La connaissance des niveaux
de pollution s'améliorant, il a été possible de les corréler
avec des effets chroniques sur la santé, mais aussi sur
l'environnement pris dans son sens large et sur les édifices.
La surveillance de la pollution permet donc d'évaluer, sur le terrain, les effets des politiques et des stratégies de diminution des émissions.
A l'échelle d'une commune, on peut par exemple estimer les effets de l'implantation d'une activité émettrice de poussières, ou d'une technique visant à diminuer les émissions de poussières.
A l'échelle d'un pays, on peut voir les effets du
remplacement de l'essence plombée par l'essence sans plomb. Il
en résulte une augmentation des teneurs en benzène qu'il est
encore prématuré de chiffrer.
1.4. Echelles spatiales et temporelles des
phénomènes de pollution
Schématiquement, la pollution en un point donné est la
résultante de phénomènes relatifs à trois échelles :
L'échelle locale, constituée des sources situées dans
l'environnement immédiat (périmètre de quelques kilomètres)
qui, en fonction des circonstances météorologiques locales,
influencent plus ou moins directement la qualité de l'air en ce
point. Ce sont les phénomènes relatifs à cette échelle qui
sont le plus souvent responsables des variations rapides et de
forte amplitude des concentrations en polluants.
L'échelle régionale, couvrant un périmètre de quelques
dizaines de kilomètres autour du point. Les sources situées
dans ce périmètre ont une influence relativement diffuse, qui
se matérialise par des variations de concentrations en polluants
généralement lentes et amorties.
L'échelle continentale, s'étendant de plusieurs centaines à
plusieurs milliers de kilomètres. Ce que l'on appelle le
transport à longue distance des polluants peut contribuer de
manière sensible aux teneurs mesurées. Ceci explique que l'on
puisse trouver une pollution en des points éloignés de toutes
sources même modestes. Cet apport contribue largement à ce que
l'on appelle la pollution de fond (background).
De manière générale, la proximité des sources entraîne le
caractère instantané de la perception au point considéré. Il
faut cependant remarquer que la part relative aux trois niveaux
décrits ci-dessus n'est pas constante et peut varier dans le
temps, notamment en fonction du polluant considéré et des
circonstances micro- et macro-météorologiques.
L'exemple d'un point situé en zone urbaine permet d'illustrer ces considérations.
Les teneurs en CO et NO y sont, en fonction de la nature des sources (trafic), quasi exclusivement dépendantes de circonstances locale, : intensité de la circulation, météo, etc.
La situation est différente pour le SO2 pour
lequel on peut trouver des influences situées aux trois
échelles. L'échelle locale avec, par exemple, le chauffage
domestique, l'échelle régionale et l'échelle continentale avec
d'importantes sources industrielles situées à des distances
plus ou moins grandes.
Les parts relatives de ces trois échelles seront
déterminées par l'importance des émissions des différentes
sources et par les circonstances météorologiques (température,
inversions de température, direction et vitesse du vent).
L'occurrence d'une augmentation importante de la pollution au
point considéré peut être le résultat de phénomènes jouant
sur une ou plusieurs échelles. Lors d'un des derniers épisodes
de pollution élevée en SO2 que nous ayons connu
(janvier 1985), la température était faible, il y avait une
inversion de température sur toute l'Europe de l'Ouest et un
vent faible d'Est. Des modèles ont pu montrer que certains
jours, la teneur en SO2 à Liège pendant cette
période était due pour 90 % au transport à longue distance de
masses d'air pollué, originaires de ce que l'on appelait à
l'époque le triangle noir (frontières Allemagne, Pologne,
Tchécoslovaquie), et ce alors que les faibles températures
entraînaient l'usage intensif du chauffage et que l'inversion de
température était défavorable à la dispersion des polluants
émis au niveau régional.
1.5. Paramètres influençant la pollution
L'existence d'un polluant dans l'atmosphère est rythmée par
cinq étapes :
Figure
3 : Relation émissions et immissions
Il en résulte que les niveaux de pollution sont surtout
fonction du volume des émissions et des conditions
météorologiques.
1.5.2. Conditions météorologiques et
topographiques
Le vent est l'un des paramètres météorologiques les plus
importants pour le transport et la dispersion des polluants.
En effet, un flux de polluant va subir, dès son entrée dans
l'atmosphère, un transport dont la direction et la vitesse
seront fonction de celles du vent à l'instant considéré. La
pollution sera emportée, en même temps que la masse d'air où
elle pénètre, d'autant plus vite que le vent sera important, et
ce dans la direction imposée par celui-ci. Par analogie, on peut
comparer cela au mouvement d'un ballon.
Figure
4 : Dispersion de la pollution par le vent
Les direction et vitesse du vent sont la manifestation du
mouvement général de la masse d'air. Mais au sein de celle-ci
règne une certaine turbulence qui est un facteur difficile à
appréhender. C'est elle qui par exemple fait claquer un drapeau
au vent ou provoque un tourbillon de poussières. Elle est la
manifestation du déplacement aléatoire d'un volume d'air et
agit sur un panache de pollution en le dispersant dans toutes les
directions. La pollution est dispersée d'autant plus vite que la
turbulence est élevée.
Par analogie, si un groupe se trouve dans un cortège, sa
vitesse et son déplacement général seront ceux de
l'itinéraire suivi (direction et vitesse). La vitesse des
membres et la cohésion du groupe seront influencées par les
mouvements de la foule et certains membres se trouveront isolés
(turbulence).
L'état de stabilité thermique de l'atmosphère est défini
par rapport à une droite de variation de température
théorique, celle d'un volume d'air qui s'élève dans
l'atmosphère stable et se détend lentement (à cause de la
diminution de pression) sans échange de chaleur avec le milieu
avoisinant, c'est le gradient adiabatique sec, aussi appelé
droite de neutralité thermique ou neutre.
La température de l'air décroît au fur et à mesure que
l'altitude augmente, à raison de +/- 10 degrés par km, à cause
de la diminution de pression régnant dans l'air. Mais la
variation de température en fonction de l'altitude s'écarte le
plus souvent de cette situation. Deux cas peuvent être
rencontrés :
Figure
5 : Stabilité thermique
1.5.2.3. Inversions de température
L'état d'inversion de température est caractérisé par une
augmentation de température au fur et à mesure que l'altitude
augmente. C'est un état thermique stable que l'on observe
généralement par temps clair et ensoleillé.
Il est caractérisé par une altitude de début et de fin d'inversion (Figure 6). Lorsque le début coïncide avec le niveau du sol, l'altitude de fin est appelée hauteur de la couche de mélange. En effet, c'est dans l'épaisseur de cette couche d'air stable que se dispersent les polluants émis. Si l'épaisseur est faible, le volume d'air dans lequel les polluants sont dispersés l'est aussi, de ce fait, les concentrations rencontrées sont élevées. Il s'agit là de la situation la plus propice aux épisodes de pollution atmosphérique.
Figure
6 : Inversion de température
Figure 7 : Panaches de
fumée
A titre documentaire, la Figure 7 illustre le comportement
d'un panache de fumée en fonction de la stabilité thermique et
des inversions de température.
En ville, la température moyenne est légèrement supérieure
à celle observée dans les campagnes avoisinantes, du fait de la
dispersion de chaleur plus importante due au chauffage des
nombreux bâtiments et de la présence de plus fortes
concentrations de gaz à effets de serre (CO2). Il se
forme ainsi une sorte de " bulle " d'air
chaud au-dessus de la zone urbaine (Figure 8).
On a remarqué que les phénomènes de pollution
atmosphérique pouvaient en être aggravés. Les échanges entre
les polluants produits dans la " bulle " et
le reste de l'atmosphère sont ralentis, du fait de la
différence de densité entre l'air chaud et l'air froid. Ceci
empêche la dispersion des polluants, les niveaux de
concentration ont tendance à augmenter dans la
" bulle ", ce qui peut conduire à des
phénomènes de smog localisés. En cas de vent faible, une
convection " cellulaire " s'établit dans la bulle
et les échanges avec l'atmosphère sont très faibles. Si la
vitesse du vent augmente, la turbulence induite au droit de la
bulle crée une zone instable où se produisent les échanges.
L'effet canyon est du même type, cependant il s'applique à
l'échelle de la rue. Il apparaît lorsque les bâtiments sont de
hauteur importante par rapport à la largeur de la rue, en
particulier si un seul coté est ensoleillé et si le trajet est
tortueux. Il s'instaure alors une circulation
" cellulaire " qui ralentit les échanges
avec les couches supérieures et tend à accumuler les polluants
émis dans la rue.
Avant de commencer la présentation des résultats des mesures
de la qualité de l'air acquis en 1996, il est intéressant de se
pencher sur les changements apportés aux différents réseaux de
mesures, changements effectués dans le but d'améliorer le
contrôle de polluants déjà bien connus, mais également
d'introduire progressivement la surveillance de composés moins
connus, parfois présents à l'état de traces, mais néanmoins
toxiques. Les réseaux de surveillance de la qualité de l'air
sont en mutation permanente pour, d'une part, s'adapter aux
connaissances scientifiques nouvelles et, d'autre part, répondre
aux questions précises posées par les services compétents et
par la population.
L'année 1996 fut une année riche en améliorations. Elles
peuvent se subdiviser en différents types :
Il serait long d'énumérer tous les changement survenus
durant cette année. Cependant, quelques points importants
doivent être signalés :
1.7. Définitions et conventions
Avant de continuer plus en avant, il semble utile de rappeler
quelques définitions de termes et convention, utilisés tout au
long de ce rapport.
Les unités dépendent du type de polluant; ainsi pour les gaz
ou les particules en suspension, on exprime la concentration en
unité de masse par unité de volume soit le plus souvent des
µg/m³ (µ = micro, soit un millionième de gramme).
Pour les hydrocarbures totaux dont la composition exacte nous
est inconnue, on préfère utiliser les rapports volumiques en
ppm (part par million, soit 1 m³ de gaz pour 1 000 000 m³
d'air).
Pour les retombées, il s'agit de mesurer un dépôt de
matière sur une surface donnée en un temps donné. Les
résultats s'expriment alors en mg/m².j (parfois en µg/m³.j).
Pour les retombées humides, les ions polyatomiques sont
exprimés par rapport à la masse de leur atome central (par
exemple SO4= exprimé en g [S]/m².jour de
pluie).
1.7.2. Paramètres statistiques
Etant donné le grand nombre de mesures, différents
paramètres statistiques sont utilisés pour caractériser au
mieux la distribution des résultats de ces mesures :
Ces paramètres statistiques ne sont calculés que si le
nombre de données est suffisant par rapport à la période
considérée; ainsi nous avons adopté les conventions
suivantes :
Si, lors des calculs, on rencontre des mesures inférieures
aux limites de détection de la méthode, la valeur prise en
compte dans les calculs est égale aux 2/3 de cette limite de
détection. Si le résultat d'un calcul est inférieur à cette
limite de détection, on notera LD.
Rem : La tendance actuelle pour les polluants
irritants est d'exprimer les normes et valeurs guides non plus
par des centiles mais plutôt en terme de dépassement, comme
c'est déjà le cas pour l'ozone.
Dans ce rapport, les polluants sont repris un à un par
famille. La structure de chaque chapitre est similaire :
après une introduction décrivant l'origine du polluant, ses
sources, les niveaux habituellement mesurés dans d'autre pays et
sa toxicité, les résultats de l'année sont présentés, suivi
d'une évolution à long terme et d'une discussion sur le respect
des normes.
Citons encore quelques conventions utilisées dans ce
rapport :
Les conditions météorologiques et principalement le vent
jouent un rôle de grande importance dans le transport et la
dispersion des polluants. Afin de mieux appréhender les niveaux
de pollution enregistrés, certaines stations du réseau
télémétrique sont équipées de mâts permettant la mesure de
quelques paramètres météorologiques tels que :
Les différents capteurs se situent généralement à une
altitude de 30 m (sur sol). Ces stations sont situées dans les
agglomérations de Charleroi et de Liège; l'emplacement des
mâts a été choisi dans le but de mesurer les conditions
locales de dispersion.
La topographie des lieux peut avoir une grande influence sur
les différents paramètres; ainsi, dans la région liégeoise,
on remarque de nettes différences entre les stations situées
dans la vallée de la Meuse (comme la station du Palais des
Congrès, TMLG03) et la station située sur la colline de Cointe
(TMSG02). Il est dès lors difficile de vouloir extrapoler ces
données au niveau régional; néanmoins, nous avons repris sur
la Carte 1, les roses de vents pour quelques stations de la
Région wallonne, afin de permettre au lecteur d'avoir une idée
des directions des vents dominants.
On remarque que sauf dans des conditions de topographie
particulière, les vents dominants sont généralement situés
dans un axe Sud-Ouest Nord-Est.
Carte 1 : Roses de direction du vent