Pourquoi les vagues de chaleur estivales favorisent-elles les pics de pollution ?

Pour une fois, nous allons parler de la qualité de l’air extérieur - nous passons la plupart de notre temps à l’intérieur, mais la qualité de l’air extérieur est également importante pour de nombreuses raisons. Les systèmes de ventilation des bâtiments puisent l’air de l’extérieur pour renouveler l’air intérieur, et nous sommes bien sûr exposés lorsque nous nous déplaçons ou faisons une promenade. Ce n’est pas une nouveauté, la pollution de l’air extérieur a été liée à diverses conséquences négatives telles qu’une augmentation des maladies respiratoires ainsi que le changement climatique. Cet article vise à expliquer pourquoi les conditions météorologiques chaudes en été affectent la pollution.

Navigation rapide

• Comment les vagues de chaleur provoquent des pics de pollution de l’air
• Ozone
• Matières particulaires
• Pourquoi la pollution de l’air cause le réchauffement climatique
• Le rôle des inversions de température
• Quelles concentrations d’ozone et de particules fines sont considérées comme acceptables ?
• Comment lutter contre la pollution due à l’ozone et aux particules fines
• Exemples récents de pics de pollution causés par les vagues de chaleur
• Conclusion

Bien que la pollution de l’air extérieur soit en grande partie le résultat de l’activité humaine, les concentrations de polluants ne sont pas constantes et dépendent de divers facteurs. Certains polluants tels que les oxydes d’azote (NOx) et les oxydes de soufre (SOx) sont produits directement par les véhicules, les centrales électriques et autres équipements de combustion. En revanche, l’ozone au niveau du sol (O3) n’est pas émis directement, mais résulte en fait de réactions chimiques dans l’atmosphère. Les matières particulaires (PM) peuvent être soit émises directement, soit formées à partir d’autres polluants par des réactions chimiques.

Comme vous vous en souvenez peut-être de vos manuels de sciences, une température élevée accélère la vitesse des réactions chimiques, ce qui signifie que la concentration d’ozone tend à augmenter lors des vagues de chaleur, ainsi que la quantité de PM formée à partir d’autres polluants.

Comment les vagues de chaleur provoquent des pics de pollution de l’air

Pour comprendre comment les vagues de chaleur détériorent la qualité de l’air extérieur, il est nécessaire de revoir le processus de formation de deux polluants clés : les particules fines et l’ozone.

Ozone

L’ozone peut être bon ou mauvais pour la santé humaine selon la hauteur à laquelle il se trouve dans l’atmosphère. Dans la haute atmosphère, l’ozone joue un rôle clé en bloquant les radiations solaires nocives ; cependant, il a de nombreuses conséquences négatives sur la santé humaine lorsque nous le respirons au niveau du sol, notamment :

• Essoufflement
• Difficulté à respirer
• Toux
• Irritation de la gorge et inflammation des voies respiratoires
• Aggravation des symptômes de maladies préexistantes, telles que l’asthme et la bronchite.

Outre ses conséquences médicales, l’ozone a également un impact économique. Les personnes souffrant des symptômes ci-dessus deviennent moins productives sur leur lieu de travail, ou peuvent même être contraintes de prendre un congé maladie.

La formation de l’ozone au niveau du sol nécessite quatre ingrédients clés : les oxydes d’azote (NOx), les composés organiques volatils (COV), la chaleur et la lumière du soleil. Les deux premiers sont émis directement par l’activité humaine, tandis que les deux derniers dépendent de la météo ; par conséquent, la qualité de l’air extérieur peut être attendue comme se dégradant avec la température élevée, et surtout lors des journées chaudes d’été sans nuages, où il y a aussi une abondance de lumière solaire.

Comment ça fonctionne

En général, les oxydes d’azote et les COV fournissent des atomes d’oxygène supplémentaires qui se combinent avec l’oxygène atmosphérique (O2) pour former de l’ozone (O3). La réaction suivante explique comment l’ozone peut se former à partir du dioxyde d’azote (NO2) :

NO2 + lumière du soleil = NO + O

O + O2 = O3

Ceci est un exemple très simple. La plupart des réactions qui forment l’ozone à partir des NOx et des COV sont beaucoup plus complexes et impliquent plusieurs étapes intermédiaires.

Matières particulaires

Les matières particulaires peuvent être émises ou formées. La formation devient plus rapide avec la chaleur. Les PM sont considérées comme primaires lorsqu’elles sont émises directement par combustion, et secondaires lorsqu’elles sont produites par la réaction chimique d’autres polluants atmosphériques. Plus précisément, la concentration de PM secondaires augmente lors des vagues de chaleur, puisque les réactions qui conduisent à leur formation sont accélérées, tout comme dans le cas de l’ozone. Les oxydes d’azote (NOx), l’ammoniac (NH3), les oxydes de soufre (SOx) et les composés organiques volatils ont été identifiés comme réactifs contribuant à la formation des matières particulaires secondaires. En conséquence, voici les 3 principaux types de PM secondaires :

1

NITRATES

Les oxydes d’azote ou l’ammoniac peuvent réagir pour former des nitrates, qui se rassemblent sous forme de particules solides en suspension dans l’air. En d’autres termes, des polluants solides (PM) peuvent provenir de polluants gazeux.

2

SULFATES

Les oxydes de soufre conduisent à la formation de sulfates, qui sont également solides.

3

COMPOSÉS ORGANIQUES SECONDAIRES

Les COV peuvent réagir pour former des molécules d’hydrocarbures plus grandes, qui restent en suspension dans l’air sous forme solide. Tout comme les nitrates et les sulfates, ces molécules organiques solides peuvent s’agréger en particules plus grosses considérées comme des matières particulaires.

Lorsque des températures élevées coïncident avec des périodes de haute pression atmosphérique, l’ozone et les matières particulaires peuvent atteindre des niveaux dangereusement élevés. Alors que la température élevée conduit à une formation plus rapide d’ozone et de particules fines, la haute pression rend difficile la dissipation de ces polluants par les courants d’air naturels. Les précipitations sont généralement bénéfiques pour la qualité de l’air, car les matières particulaires dans l’air adhèrent aux gouttelettes d’eau et tombent au sol.

Pourquoi la pollution de l’air cause le réchauffement climatique

La pollution de l’air et le réchauffement climatique interagissent entre eux, se renforçant mutuellement : tout comme la température élevée provoque des pics dans la concentration de certains polluants, la pollution de l’air elle-même conduit également à des températures plus élevées. Ainsi, le changement climatique et la pollution de l’air peuvent être abordés plus efficacement ensemble que séparément.

En soi, la température élevée n’est pas une cause directe de la pollution de l’air, mais elle accélère les réactions qui forment des polluants clés comme l’ozone et les matières particulaires secondaires. L’activité humaine est la principale source de réactifs, en particulier l’utilisation des combustibles fossiles ; leur combustion libère des oxydes d’azote et de soufre, ainsi que des composés organiques volatils.

De nombreux composés émis par l’activité humaine et leurs sous-produits peuvent piéger le rayonnement solaire dans l’atmosphère terrestre, qui serait normalement réfléchi vers l’espace. Les substances suivantes ont été identifiées comme des moteurs clés du réchauffement climatique en retenant la chaleur dans l’atmosphère :

• Dioxyde de carbone
• Méthane
• Protoxyde d’azote
• Halocarbures
• Ozone dans la basse atmosphère (troposphère). L’ozone est en fait bénéfique dans la haute atmosphère (stratosphère), bloquant le rayonnement solaire.
• Aérosol de carbone noir, un composant des matières particulaires constitué de particules en suspension de carbone pur. Il est produit à la fois par les combustibles fossiles et la biomasse lors de la combustion.

Le dioxyde de carbone représente de loin la contribution la plus importante au réchauffement climatique, mais tous les gaz mentionnés ci-dessus jouent un rôle. Il est également important de noter que des températures atmosphériques plus élevées permettent à plus de vapeur d’eau d’entrer dans l’air, ce qui amplifie l’effet de réchauffement.

Le rôle des inversions de température

Dans des conditions normales, l’atmosphère terrestre est plus chaude près du sol et plus froide en altitude. Comme l’air chaud monte, la convection naturelle peut transporter les polluants et réduire leur concentration.

Une inversion de température se produit lorsque la variation normale de la température dans l’atmosphère est inversée : l’air est plus chaud en altitude et la convection naturelle est bloquée, ce qui emprisonne une couche d’air près du sol. Lorsque cela se produit au-dessus d’une zone urbaine, la pollution peut atteindre des niveaux particulièrement élevés en raison du grand nombre de sources d’émission et du manque de mouvement de l’air.

Lorsqu’une ville est couverte par une couche de smog qui se termine brusquement à une hauteur spécifique, on peut conclure qu’il y a une inversion de température sur la zone affectée. Le smog est piégé parce que la convection ne peut pas l’évacuer au-dessus d’une certaine altitude.

Un smog typique de Los Angeles. Les villes situées dans des vallées (comme LA) sont particulièrement affectées car les montagnes environnantes piègent l’air frais sur les côtés, tandis que la couche d’inversion chaude le coiffe par le dessus.

Les inversions de température peuvent être classées en inversions permanentes et temporaires. Les inversions permanentes se produisent dans la haute atmosphère (stratosphère) et ont un effet à long terme et global sur la pollution de l’air, tandis que les inversions temporaires se produisent dans la basse atmosphère (troposphère) et sont responsables des couches de smog piégées dans les zones urbaines - elles ont des effets à court terme et localisés.

Quelles concentrations d’ozone et de particules fines sont considérées comme acceptables ?

Les normes de qualité de l’air sont généralement établies indépendamment par chaque pays. L’Organisation mondiale de la santé (OMS) a établi des valeurs guides basées sur ses recherches, mais celles-ci ne sont pas légalement contraignantes sauf si un pays décide de les adopter officiellement :

| PM | Pour les particules fines, la valeur guide de l’OMS est de 25 μg/m3 pour une période de 24 heures, et 10 μg/m3 annuellement. L’EPA américaine a établi 35 μg/m3 (24 heures) et 12 μg/m3 (annuellement), tandis que la Commission européenne a établi 25 μg/m3 annuellement et aucune valeur pour 24 heures. | | O3 | Dans le cas de l’ozone, l’OMS établit une valeur guide de 50 ppb, ce qui équivaut à 100 μg/m3. Cette valeur a été adoptée officiellement au Canada et en Europe, mais l’Agence américaine de protection de l’environnement est moins stricte, établissant la concentration d’ozone acceptée à 70 ppb. |

Comment lutter contre la pollution due à l’ozone et aux particules fines

Pour maintenir sous contrôle les concentrations d’ozone et de matières particulaires secondaires, il est important de considérer que les deux sont le produit de réactions chimiques impliquant d’autres polluants. Il y aura toujours des journées chaudes avec beaucoup de soleil, et la météo est impossible à contrôler, mais les réactifs qui conduisent à la formation d’ozone et de PM peuvent être régulés : oxydes d’azote (NOx), oxydes de soufre (SOx) et composés organiques volatils (COV).

Rappelez-vous pour votre santé

Les particules et l’ozone ont des conséquences différentes sur la santé humaine. Les PM affectent les systèmes respiratoire et cardiovasculaire et ont un effet cancérigène tandis que l’ozone est un gaz irritant pour les muqueuses, les yeux et les poumons.

Les pics se produisent aussi à différents moments de la journée. L’ozone est dû à la lumière du soleil, donc il se concentre davantage l’après-midi lorsque les UV sont plus forts. Les PM sont plus présentes tôt le matin et en fin d’après-midi lorsque les déplacements en voiture et le chauffage résidentiel sont en activité.

Essayer de contrôler toutes les sources de NOx, SOx et COV en même temps serait impraticable et extrêmement coûteux, donc l’action doit cibler leurs principales sources, qui sont les véhicules motorisés, les installations industrielles et les centrales électriques. Les deux approches complémentaires à suivre sont la surveillance et les réglementations légalement contraignantes.

Exemples récents de pics de pollution causés par les vagues de chaleur

La relation entre la température élevée et la dégradation de la qualité de l’air a été observée dans de nombreux cas ces dernières années. Par exemple, l’Inde a connu un pic de concentration d’ozone dans l’air extérieur en avril 2016, atteignant 75 ppb (150 μg/m3), soit 50 % de plus que la valeur guide de l’Organisation mondiale de la santé. L’événement est survenu après plusieurs jours de températures élevées et de vents faibles - la chaleur accélère la formation d’ozone, tandis que le manque de vent conduit à son accumulation.

La même année, l’American Lung Association a réalisé une étude sur la qualité de l’air extérieur et a constaté que 166 millions de citoyens américains, soit plus de la moitié de la population du pays, étaient exposés à des niveaux malsains d’ozone et de matières particulaires. Sur les 25 villes les plus polluées des États-Unis, sept ont connu leurs niveaux d’ozone et de PM les plus élevés jamais enregistrés, ce qui a été lié à l’augmentation des températures mondiales - il y avait également une forte occurrence de sécheresses et d’incendies de forêt en même temps.

Conclusion

La pollution de l’air et le réchauffement climatique sont un problème global plutôt que des questions séparées, et il existe une forte interdépendance entre eux. La température élevée accélère les réactions chimiques qui forment des polluants tels que l’ozone et les matières particulaires secondaires, et les polluants atmosphériques à leur tour provoquent une plus grande rétention de chaleur dans l’atmosphère. La surveillance de la qualité de l’air et des normes de propreté de l’air applicables jouent un rôle clé dans la lutte contre la pollution de l’air et le réchauffement climatique, et il est important de noter que certains polluants sont impossibles à réguler directement - par exemple, la concentration d’ozone au niveau du sol peut être abordée en limitant l’émission des oxydes d’azote et des COV qui conduisent à sa formation.