Quels sont les points chauds de la pollution de l’air dans les villes ?

La pollution due à la circulation est la principale source de pollution atmosphérique dans la plupart des zones métropolitaines et a des effets importants sur la santé. La population mondiale vit déjà dans les zones urbaines et 70 % d’entre elles y vivront d’ici 2050. La pollution atmosphérique industrielle est également dépassée par la pollution due au trafic dans de nombreuses villes européennes. Dans la plupart des villes, les niveaux de pollution de l’air dépassent les niveaux maximums fixés par l’Organisation mondiale de la santé pour protéger la santé humaine.

Les limites du contrôle traditionnel

L’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) et aussi l’Agence italienne, structurée au niveau régional dans les ARPA collectent des données sur la pollution atmosphérique à partir d’un réseau d’unités de contrôle fixes situées dans tout le pays, et c’est là que le problème se pose. Le mot clé est « fixe ». Les unités conventionnelles de contrôle de la qualité de l’air sont stationnaires en un seul endroit. Ils peuvent être portables, mais ils ne sont pas mobiles, c’est-à-dire qu’ils ne mesurent pas la qualité de l’air en mouvement.

En partie à cause de leur immobilité, les unités conventionnelles de contrôle de la qualité de l’air sont particulièrement limitées dans leur capacité à identifier la source des problèmes dans les environnements urbains complexes où les particules atmosphériques provoquent de l’asthme et d’autres problèmes de santé graves. Les unités conventionnelles de contrôle de la qualité de l’air sont également coûteuses et très éloignées dans le monde actuel de la connectivité, du partage des données en source ouverte et des interfaces conviviales que le grand public peut comprendre.

Différence entre l’approche traditionnelle de la surveillance de l’air et l’approche mobile.

L’EPA a identifié ces lacunes dans la surveillance de la pollution atmosphérique urbaine il y a plusieurs années et, en 2013, l’agence a lancé un effort public-privé pour développer un système de capteurs de pollution atmosphérique hautement mobile afin de promouvoir la technologie de détection de la qualité de l’air de prochaine génération et de fournir des capacités de détection de l’air plus mobiles et moins coûteuses.

Aclima a été choisi par l’EPA pour diriger le consortium qui devra atteindre ces objectifs et notamment développer un nouveau capteur ultra-petit pour détecter les particules en collaboration avec le Lawrence Berkeley National Lab, l’Université de Californie à Berkeley, l’Université de l’Illinois à Chicago. Aclima a également travaillé pendant des années avec Google, fournissant à cette entreprise un réseau fixe de 6 000 capteurs de qualité de l’air pour 21 de ses bureaux répartis dans le monde. Plus tard, le partenariat d’Aclima avec Google, une entreprise qui construit des réseaux de capteurs environnementaux, a évolué avec l’idée de créer « un système complet pour cartographier la qualité de l’environnement d’une manière totalement nouvelle, qui permet de voir comment les bâtiments, les communautés et les villes vivent, respirent ».

Grâce à la connectivité Internet, le système peut fournir une cartographie et une surveillance en temps réel, à l’échelle d’un bâtiment individuel ou d’une ville entière. En 2014, Aclima a testé ses capteurs mobiles de pollution atmosphérique aux États-Unis, en les montant sur trois voitures ‘Google Street View’ pendant un mois. Les capteurs d’Aclima ont recueilli environ 150 millions de points de données sur divers polluants, dont le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone, le dioxyde d’azote, l’oxyde nitrique, l’ozone, le méthane, les particules, y compris le « carbone noir » et les composés organiques volatils. Les données ont également été corrélées avec les informations provenant des moniteurs fixes conventionnels de l’EPA.

La découverte des points chauds urbains

Par la suite, des scientifiques de l’Université du Texas (UT), en collaboration avec Google et Aclima, ont mis au point une technique de surveillance de la pollution atmosphérique hyper locale conçue spécifiquement pour Google Street View, afin de mesurer et d’afficher la pollution sur cette carte.

Cette collaboration a permis de collecter des données tous les 30 mètres, afin de détecter les « points chauds » de la pollution de l’air c’est-à-dire les petites poches de pollution majeure dans un pâté de maisons. Ce qu’ils ont collecté pendant un an à Oakland, en Californie, est l’ensemble le plus détaillé et le plus complet de données sur la pollution atmosphérique hyper locale jamais compilé, fournissant aux scientifiques et aux chercheurs un outil puissant pour analyser l’air respirable. Une des cartes d’Oakland avec du carbone noir mesuré par les voitures de Google. Les voitures ont parcouru plus de 15 000 kilomètres de routes dans la ville d’Oakland, mesurant la pollution de l’air dans chaque bloc individuel plus de 30 fois.

L’une des innovations de cette technique est la quantité de données qui doivent être collectées pour voir émerger quelque chose de cohérent et de significatif. Il suffit de faire des mesures en un seul bloc 20 fois par an si elles sont réparties sur toute l’année. Cela signifie que c’est moins cher et plus facile que ce que l’on pensait auparavant.

Dans une étude publiée en juin 2017, par des chercheurs de l’UT, Google et Aclima, dans la revue Environment Science, les résultats ont montré que le trafic, l’heure de la journée et d’autres variables créent des changements spectaculaires dans les niveaux de pollution près des autoroutes, des ponts et même des fast-foods, ajoutant une « menace invisible » qui a été liée à l’asthme, aux maladies cardiaques et aux accidents vasculaires cérébraux.

La grande quantité de données collectées a été utilisée pour créer des cartes interactives détaillées avec des points rouges, oranges et jaunes pour indiquer les différents niveaux de pollution à des endroits spécifiques de la carte. Les couleurs se déplacent souvent en fonction de la circulation et à différents moments de la journée, de la semaine et de l’année. Les niveaux de pollution varient jusqu’à cinq fois d’un bloc à l’autre.

Il a également été constaté que les concentrations de polluants peuvent varier constamment de 5 à 8 fois au sein d’un même bloc, et qu’il existe des tendances cohérentes à long terme dans la qualité de l’air pendant la journée et les jours de semaine. C’est tout simplement surprenant et largement inattendu. Les rues animées et les districts industriels présentaient des niveaux de polluants plus élevés que les rues plus calmes des districts à prédominance résidentielle. Mais certains résultats se sont démarqués ; il y avait de nombreux points chauds des endroits de moins de 30 mètres de long où les niveaux de pollution étaient considérablement plus élevés que ce à quoi on aurait pu s’attendre. En outre, l’emplacement des points chauds est resté constant dans le temps, ce qui a maintenu la mauvaise qualité de l’air pendant de longues périodes.

Dans l’analyse des chercheurs, ils ont identifié de nombreux points chauds récurrents où la pollution dans un seul bloc était systématiquement beaucoup plus élevée qu’ailleurs dans un quartier. Ces points chauds de la pollution comprennent le port, les carrefours de rue très fréquentés, les restaurants, les entrepôts, les installations industrielles et les concessionnaires de véhicules.

Certains endroits peuvent être six fois plus pollués à une extrémité du quartier qu’à l’autre, exposant les gens à des niveaux exagérés d’air malsain. Quelques-uns des points chauds avec une mauvaise qualité de l’air identifiés par les chercheurs grâce aux données recueillies avec les voitures Google de Street View. Chacun de ces points chauds peut survenir pour des raisons qui lui sont propres.

Les chercheurs pensent que les causes communes des points chauds sont les embouteillages, les émissions industrielles, les émissions dues à la cuisson des aliments et la circulation locale des camions ou des bus. De nombreuses rues surveillées par l’équipe à l’aide des voitures Google Street View étaient systématiquement beaucoup plus polluées que les données officielles sur la qualité de l’air, qui mesuraient les niveaux dans les rues résidentielles tranquilles, ne le laissaient supposer.

Mais la pollution atmosphérique, à l’exception de l’ozone, n’est pas répartie de manière égale dans un environnement urbain. Les particules varient d’un quartier à l’autre, et même d’un étage à l’autre d’un bâtiment. Un tel niveau de granularité dans l’étendue de la pollution permet aux villes, en particulier aux villes intelligentes, de cartographier exactement comment leur système de transport affecte d’autres aspects de la vie et de partager ces informations avec les citoyens afin d’améliorer leur qualité de vie.

Lorsqu’une grève du système de transport public ferroviaire BART reliant Oakland à San Francisco a conduit à ce que davantage de personnes prennent leur voiture pour se rendre sur leur lieu de travail, les capteurs intérieurs d’Aclima ont détecté des concentrations plus élevées de particules fines filtrant à travers le lieu de travail. En revanche, lors d’une journée consacrée au trajet en vélo pour se rendre au travail, les capteurs ont détecté une diminution de la pollution due aux véhicules entrant dans l’environnement intérieur.

Une révolution copernicienne

Les gouvernements mesurent la pollution de l’air depuis longtemps, mais à des points fixes dans plusieurs villes. Comme ces points fixes sont statiques, ils ne mesurent pas la pollution atmosphérique réelle en différents points d’une ville, et comme ils sont coûteux à construire ou à acheter, ils ne sont pas assez nombreux. Ils ne peuvent donc pas découvrir, par exemple, que les passagers des bus publics sont étonnamment plus exposés à la pollution que les voitures modernes.

En réaction, les scientifiques ont développé des modèles de prévision de la pollution atmosphérique, mais ces modèles ne vous disent pas ce qu’on n’attend pas déjà. Utiliser les modèles existants mais ajouter des mesures est la clé pour déterminer ce qu’on respire exactement. En fait, il y a moins d’hypothèses si vous mesurez plutôt que d’utiliser le modèle pour extrapoler des valeurs dans des zones « non couvertes » du réseau ou pour faire des prédictions. De cette façon, vous pouvez également vérifier si les modèles sont fiables.

Les modèles traditionnels complexes de la qualité de l’air.

En ce qui concerne la pollution urbaine, théoriquement parlant, dominée par le trafic automobile, c’est-à-dire les sources non ponctuelles et les véhicules auquel se superpose la faible pollution de fond due à des sources externes situées à plusieurs kilomètres au moins de la ville (industries, incinérateurs, centrales électriques, etc.), les chercheurs s’attendaient à un chiffre relativement uniforme sur de grandes zones de la ville.

Le fait qu’il y ait autant de points chauds de pollution dispersés dans une ville a contrarié les scientifiques. En fait, c’est similaire à ce qui se passe avec la pollution électromagnétique à basse fréquence, mais c’est plus facile à mesurer. Les scientifiques savaient que la pollution atmosphérique est plus élevée dans les rues animées, mais ce qu’ils n’avaient jamais réalisé auparavant, c’est qu’il existe des « poches » dans un quartier et même dans un seul bloc avec des pics beaucoup plus élevés. En fait, ce résultat n’était pas tout à fait inattendu.

Quelques années auparavant, un informaticien de l’université de Californie, San Diego avait distribué des capteurs portables à 16 navetteurs dans le cadre d’un projet appelé Citisense (à ne pas confondre avec le projet européen de ville intelligente du même nom). Un document présenté lors de la conférence Wireless Health 2012 a indiqué que les participants à cette initiative utilisant des capteurs de pollution portables avaient trouvé des « vallées urbaines » où les bâtiments emprisonnent la pollution.

Capteurs de citisense (dioxyde d’azote, monoxyde de carbone et ozone).

Si vous prenez un capteur de dioxyde d’azote (NO2), vous constaterez facilement que les niveaux de dioxyde d’azote baissent fortement lorsque vous apportez le capteur chez vous depuis la rue dans un centre urbain. De même, si vous vous trouvez dans un parking et qu’une moto passe lentement devant vous, et que vous rapprochez un capteur de monoxyde de carbone (CO) du pot d’échappement de la moto, comme on peut s’y attendre, les valeurs mesurées vont monter en flèche et, si on reporte toute la séance de mesure dans un graphique, elles vont sauter hors du graphique.

Les chercheurs affirment que ce type de nouvelles données peut entraîner des changements dans le comportement quotidien. Les données pourraient bientôt être intégrées à Google Maps et à d’autres applications cartographiques afin que les utilisateurs puissent simplement ouvrir leur smartphone pour savoir quels sont les points chauds à éviter.

Ces informations pourraient permettre aux utilisateurs de choisir un itinéraire avec de l’air pur, par exemple, ou de concentrer les recherches d’appartements dans des zones peu polluées. Grâce à la carte, les chercheurs peuvent rendre visibles les points chauds de la pollution, ce qui permet à chacun de discerner des changements spectaculaires sur de courtes distances et d’identifier des endroits spécifiques où la qualité de l’air est bonne ou mauvaise de manière constante sur une longue période.

La mauvaise nouvelle est que la pollution est pire que ce que les scientifiques avaient prévu, mais la bonne nouvelle est qu’on pourrait bientôt disposer de plus de moyens pour réduire l’exposition personnelle à la pollution. En outre, la technologie de surveillance mobile est évolutive et peu coûteuse, de sorte qu’elle se répandra rapidement dans les pays en développement où la pollution atmosphérique est grave. Même sans l’aide des voitures Google Street View, il suffira de connecter des appareils de mesure aux taxis ou aux véhicules municipaux, ou aux coursiers, car ils ne font pas le même trajet tous les jours.