La carte mondiale de la pollution atmosphérique

La pollution atmosphérique étant exprimée, dans les différents pays, par différents « Indices de qualité de l’air » (c’est-à-dire des valeurs dimensionnelles calculées selon des méthodes différentes), afin de pouvoir comparer la pollution entre deux pays, par exemple entre une région d’Italie et une région de France ou des États-Unis, on compare soit les valeurs absolues mesurées pour les principaux polluants par les réseaux de détection locaux, soit, plus simplement, les cartes satellites.

L’inconvénient des satellites est que les mesures fournies sont difficiles à calibrer, de sorte que les comparaisons dans le temps ou la détermination de valeurs mesurées absolues sont loin d’être simples. De plus, contrairement aux capteurs utilisés par les stations terrestres, les satellites ne mesurent pas directement les polluants. Les données qu’ils fournissent sont le résultat d’une conversion dépendant de modèles théoriques et de leur précision.

D’autre part, les satellites permettent de surveiller divers phénomènes sur une base quotidienne et mondiale, y compris le transport à longue distance ou intercontinental de polluants atmosphériques. La surveillance de la pollution atmosphérique s’ajoute donc à la surveillance météorologique, au niveau d’ozone stratosphérique, à la température de la planète, au changement climatique et aux phénomènes extrêmes, etc.

Cartes satellites européennes Sentinel-5P

Le 13 octobre 2017, l’Agence spatiale européenne (ESA) a lancé un satellite européen, appelé Sentinel-5P, construit pour cartographier la pollution atmosphérique mondiale avec un niveau de détail sans précédent. Le satellite fait partie du programme Copernicus de l’Union européenne pour les missions de surveillance de la Terre, mais il est le premier à se consacrer à la création d’une carte mondiale de la qualité de l’air toutes les 24 heures.

L’instrument vise à surveiller pendant ses 7 années de mission, mais il a du carburant pour durer une décennie, les gaz à l’état de traces (c’est-à-dire présents en petites quantités) qui affectent le climat et l’air que nous respirons, tels que le dioxyde d’azote (NO2), l’ozone (O3), le formaldéhyde (CH2O), le dioxyde de soufre (SO2), le méthane (CH4), le monoxyde de carbone (CO) et les aérosols.

L’une des premières images de la mission Sentinel-5P montre le dioxyde d’azote en Europe le 22 novembre 2017. Des émissions élevées sont évidentes dans la vallée du Pô, le nord de l’Italie et l’ouest de l’Allemagne. Le dioxyde d’azote pollue l’air principalement en raison de la combustion de combustibles fossiles, de biomasse ou de biogaz dans les installations industrielles et les centrales électriques, et du trafic routier. Il y a quelques lacunes dans la couverture car Sentinel-5P ne peut pas visualiser les images à travers les nuages.

Une image de la pollution au dioxyde d’azote en Europe envoyée par le satellite Sentinel 5P en décembre 2017. La vallée du Pô est de loin la zone la plus polluée du Vieux Continent. Les zones brunes sont couvertes par les nuages. (source : ESA)

Les autres premières images envoyées par le satellite ont également été saluées comme exceptionnelles et montrent comment il est destiné à remplir la tâche de surveillance de la qualité de l’air, en l’amenant dans une nouvelle ère. Grâce au perfectionnement des instruments dont elle dispose à bord, sa mission lui permet de cadrer les principaux polluants atmosphériques de manière plus détaillée que jamais.

Certaines des premières données ont été utilisées pour créer une carte mondiale du monoxyde de carbone. Plus généralement, les données qu’elle fournira serviront à établir des prévisions fondées sur des données réelles et non sur de simples extrapolations de données recueillies par les quelques centrales électriques au sol dans des pays comme l’Italie et seront finalement précieuses pour aider à mettre en œuvre des politiques d’atténuation appropriées.

Les cartes « historiques » du satellite Envisat

Bien qu’il ne soit plus opérationnel depuis 2012, les cartes de pollution mondiale fournies par Envisat, le plus grand satellite de surveillance de l’environnement au monde, avec ses 10 instruments à bord, ne peuvent manquer d’être mentionnées, et sont encore dans la mémoire de beaucoup. Envisat a été lancé en février 2002 par l’Agence spatiale européenne (ESA), dont il était « un vaisseau amiral ».

Le spectromètre d’absorption pour la cartographie des images atmosphériques à balayage a pu enregistrer le spectre de la lumière solaire traversant l’atmosphère. Les résultats ont ensuite été soigneusement filtrés pour trouver des « empreintes » d’absorption spectrale de gaz à l’état de traces dans l’air. Son but était de faire des mesures globales de ces gaz dans la troposphère et la stratosphère.

En 2004, après 18 mois d’observations, Envisat a fourni cette fameuse carte atmosphérique mondiale de la pollution par le dioxyde d’azote (NO2), qui montre clairement comment les activités humaines affectent la qualité de l’air. En effet, les oxydes d’azote sont produits par les émissions des centrales électriques, de l’industrie lourde et des transports routiers, ainsi que par la combustion de la biomasse et du biogaz.

Une célèbre carte, avec des détails relatifs sur l’Europe et l’Italie, nous a été donnée en 2004 par le satellite Envisat de l’ESA. Il montre la pollution due au dioxyde d’azote. La vallée du Pô est déjà l’une des trois régions les plus polluées de la planète. (source : ESA)

Sur la carte, vous pouvez voir comment la vallée du Pô était, déjà à l’époque, l’une des trois zones où l’air était le plus pollué de la planète, avec la zone autour de Pékin et celle autour de New York. Des mesures in situ localisées du dioxyde d’azote atmosphérique sont effectuées dans de nombreux pays industriels occidentaux, mais les sources de données terrestres sont généralement limitées au niveau du sol et à la géographie.

Le dioxyde d’azote est un gaz essentiellement « humain » – mais les coups de foudre dans l’air créent également des oxydes d’azote, tout comme l’activité microbienne dans le sol – dont l’exposition excessive provoque des lésions pulmonaires et des problèmes respiratoires, et est souvent sous-estimée. Elle joue également un rôle important dans la chimie de l’atmosphère, car elle conduit à la production d’ozone dans la troposphère, la partie la plus basse de l’atmosphère, qui s’étend jusqu’à une altitude comprise entre 8 et 16 kilomètres.

Outre la première carte de la pollution mondiale qui vient d’être illustrée, d’autres résultats importants obtenus par le satellite Envisat au cours de sa longue vie opérationnelle ont été : la carte satellitaire de la Terre la plus claire (2007) ; la carte de la couverture terrestre mondiale (2005 et 2010) utile pour étudier les effets du changement climatique et pour la conservation de la biodiversité ; la mesure de la perte record d’ozone au-dessus de l’Arctique (2011) ; l’observation de la désintégration rapide de la glace en Antarctique (2012).

Les cartes de la constellation américaine « A-Train

L’Agence spatiale américaine (NASA) utilise la constellation « Afternoon » ou « A-Train » pour recueillir des données environnementales, qui peuvent être intégrées dans divers modèles, bases de données et autres outils pouvant être utilisés par les décideurs politiques et divers organismes nationaux avec des observations globales complètes de notre planète. Cette constellation est composée de cinq satellites de la NASA et d’un satellite japonais volant à proximité les uns des autres.

La constellation « A-Train » de la NASA.

Chacun de ces satellites, dont la résolution est beaucoup plus élevée que celle des satellites précédents tels que l’instrument de surveillance de l’ozone mondial 2 de la NASA, a ses propres objectifs et offre sa contribution unique à l’amélioration de notre compréhension des aspects du climat et de la pollution de la Terre. Mais le véritable avantage du vol en constellation est que les données fournies par les différents satellites sont synergiques et peuvent être combinées entre elles pour permettre des études encore plus complètes à l’échelle mondiale.

Les satellites de la NASA qui font partie de cette constellation comprennent Aqua (lancé en 2002), Aura (lancé en 2004), le deuxième observatoire du carbone en orbite (OCO-2, lancé en juillet 2014), le satellite d’observation des nuages et des aérosols par lidar et par infrarouge (CALIPSO) et CloudSat (tous deux lancés ensemble en 2006). La constellation comprend également un satellite japonais (lancé en 2012) dont la mission est appelée Global Change Observation Mission-Water (GCOM-W1).

Les différents satellites de la constellation « A-Train » de la NASA.

En plus de la mesure traditionnelle de la température et de la vapeur d’eau, cette constellation permet de surveiller divers polluants atmosphériques :

  • Ozone (O3),
  • Monoxyde de carbone (CO),
  • Dioxyde de carbone (CO2),
  • Oxyde d’azote (NO),
  • Dioxyde d’azote (NO2),
  • Acide nitrique (HNO3),
  • Méthane (CH4),
  • Formaldéhyde (HCHO),
  • Ethanedial (CHOCHO),
  • Dioxyde de soufre (SO2),
  • Acétonitrile (CH3CN),
  • Acide formique (HCOOH),
  • Méthanol (CH3OH),
  • Ammoniac (NH3),
  • Eau lourde (HDO),
  • Aérosol.

Le satellite Aura permet notamment d’étudier la distribution horizontale et verticale des principaux polluants atmosphériques et gaz à effet de serre et de voir comment ces distributions évoluent et changent au fil du temps. D’autre part, les trois spectromètres à grille du satellite OCO-2 (Orbiting Carbon Observatory) permettent des observations globales et spatiales de la concentration du dioxyde de carbone (CO2) intégré dans la colonne, un gaz à effet de serre essentiel au réchauffement climatique.

Certains des polluants atmosphériques surveillés par le satellite Aura de la NASA.

OCO-2 cartographie le dioxyde de carbone dans l’atmosphère avec une précision sans précédent. Les scientifiques en apprennent beaucoup plus sur la façon dont ce gaz à effet de serre est libéré par la combustion des combustibles fossiles, mais aussi sur le fonctionnement des plantes et sur la façon dont la terre et les océans aspirent et libèrent du CO2. Environ 25 % des émissions humaines sont absorbées par l’océan et 25 % par les plantes. Maintenant que nous pompons d’énormes quantités de ce gaz dans l’atmosphère, il est important de comprendre si ces processus vont se poursuivre.

Le satellite OCO-2 peut être utilisé pour suivre le CO2 sur de très petites zones, comme les volcans et les villes comme Los Angeles ou Paris. Il peut donc être utilisé non seulement pour mieux comprendre la pollution de la ville, mais aussi pour prévoir le moment où les volcans entrent en éruption. Le dioxyde de carbone est plus élevé dans les zones urbaines, où les voitures et les centrales électriques émettent davantage, que dans les zones suburbaines. Il est plus élevé en hiver – lorsque les plantes absorbent moins de CO2 et que davantage de plantes meurent qu’en été.

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