Pollution au-dessus de la ville de Santiago au Chili © Nataliya Hora

Observation et modélisation des événements de pollution au Chili

Dossier : Nouvelles du PlatâlMagazine N°776 Juin 2022
Par Rémy LAPERE (M16)

Glaciers, foot, incendies : quand les lamas toussent, le climat se dérègle

Les travaux de Rémy Lapere (M16) ont pour objet l’étude des caractéristiques et des conséquences de la pollution atmosphérique au Chili, en mettant à contribution des modèles météorologiques et physicochimiques, combinés à des mesures de terrain et par satellite. L’objectif est de mieux comprendre les processus sous-jacents afin, ultimement, de mieux informer les politiques en matière de gestion de la qualité de l’air. Pollution urbaine, fonte des glaciers mais aussi mégabarbecues et mégafeux, tels sont les thèmes abordés dans cette étude.

 


Rémy LAPERE (MScT 2016)Rémy Lapere (M16)

Ma thèse a été suivie de sept mois de post-doctorat en France et au Chili pour approfondir le sujet et réaliser une campagne de terrain dans le désert d’Atacama. Depuis mai 2022 je suis post-doctorant à l’Institut des Géosciences et de l’Environnement sur le thème des interactions aérosols-nuages en milieu polaire.


 

Avec le désert d’Atacama, le plus aride du monde, au nord du pays, les champs de glace de Patagonie à son extrême sud, les volcans de la cordillère des Andes à l’est culminant à près de 7 000 m d’altitude et sa façade Pacifique longue de 4 300 km, le Chili a une place à part dans la géographie mondiale. Mais ce condensé de carte postale cache un envers du décor préoccupant : une atmosphère particulièrement polluée. Cet air de mauvaise qualité constitue une menace inquiétante pour la santé des individus, la pérennité des écosystèmes et le climat. D’où vient cette pollution ? Quels sont ses impacts ? Voilà ce dont il est question ici.

À titre de comparaison, l’air de Santiago, la capitale du pays, qui abrite environ 7 millions d’habitants, est en moyenne deux fois plus pollué que celui de Paris, qui n’est pourtant pas réputée pour la pureté de son atmosphère. Pire, les pics de pollution hivernaux au Chili n’ont pas grand-chose à envier à ceux des tristement célèbres mégapoles indiennes ou chinoises. On trouve notamment dans le sud du pays le « petit Pékin » (Coyhaique), surnom hérité de son air parfois irrespirable.

Schéma du bassin de Santiago, enclavé entre deux chaînes de montagnes.
Schéma du bassin de Santiago, enclavé entre deux chaînes de montagnes.

Les milieux montagneux sont particulièrement favorables à l’accumulation de pollution dans l’air. Prenons l’exemple du bassin de Santiago, enclavé entre deux chaînes de montagnes (voir schéma). Ces deux massifs forment une cuvette dont le fond est peuplé de sources de polluants (trafic routier, industries…) et de laquelle les masses d’air ont du mal à s’échapper : la pollution stagne au-dessus de la ville. Cette configuration est typique de nombreuses villes du Chili.

Malgré une prise de conscience dès les années 1990, la pollution atmosphérique reste un problème majeur, et parfois mystérieux, au pays des lamas, des observatoires astronomiques et de Pablo Neruda.

Effet boule de neige de la pollution atmosphérique sur la fonte des glaciers

Parmi les effets collatéraux de la pollution de l’air figure son impact sur la fonte des glaciers. De la même manière qu’on évite de porter un t-shirt noir en été pour s’épargner une sudation trop intense, les glaciers préfèrent nettement lorsqu’ils sont vêtus de blanc pour éviter de fondre trop vite. Or les émissions urbaines de polluants impliquant des processus de combustion, comme les moteurs de voitures, libèrent des particules de matière microscopiques (les fameuses particules fines), de couleur noire, appelées carbone suie. Celles-ci peuvent voyager dans l’atmosphère pendant plusieurs jours et, en fonction des conditions météorologiques, atteindre les glaciers de la cordillère des Andes et s’y déposer.

Ces régions habituellement blanches prennent alors une teinte légèrement plus sombre et emmagasinent plus de chaleur provenant du Soleil : on parle de changement d’albédo. En conséquence de ce noircissement, les glaciers fondent plus tôt que prévu dans la saison, ce qui signifie à terme moins de ressources en eau douce en fin d’été pour les humains, animaux et végétaux qui en dépendent en bout de chaîne. Cette ressource est par ailleurs déjà sous tension puisque le réchauffement climatique tend à réduire significativement la taille des glaciers des Andes.

 

« En conséquence de ce noircissement,
les glaciers fondent plus tôt que prévu
dans la saison, ce qui signifie à terme moins
de ressources en eau douce. »

 

Puisque le glacier fond plus vite, la roche sur laquelle il repose affleure plus rapidement. À une surface blanche succède donc une surface sombre. Cette fois c’est alors la Terre qui perd cet effet de réverbération et emmagasine une plus grande part du rayonnement solaire que si elle était couverte par le glacier. Ce phénomène amplifie le réchauffement climatique, lui-même amplifiant le phénomène précédent, et ainsi de suite : on entre dans une boucle de rétroaction. L’étude de ce type de boucles est un sujet crucial pour mieux comprendre l’avenir de notre climat.

Grâce à un modèle numérique de chimie-transport appelé Chimere (voir encadré ci-dessous), développé dans l’équipe où la thèse a été réalisée, cet effet noircissant sur les glaciers chiliens a été quantifié et cartographié. Il est vraisem­blablement plus intense que ce qui était jusqu’à maintenant estimé. Par ailleurs, il ressort que les émissions de polluants en été, souvent ignorées par les autorités de surveillance de la qualité de l’air puisqu’elles s’évacuent facilement, jouent en fait un rôle important. C’est justement parce qu’elles s’évacuent facilement qu’elles sont aussi importantes que les émissions hivernales en termes d’impact sur les glaciers. Les contrôler devient donc un enjeu à ne pas négliger.

 


Le modèle CHIMERE

Chimere est un modèle eulérien régional de chimie-transport développé au Laboratoire de météorologie dynamique, à l’École polytechnique. Avec une approche par éléments finis, ce modèle résout les équations de la physique
et de la chimie afin de fournir une représentation en trois dimensions spatiales et en temps de la composition de l’atmosphère (gaz, particules…). Schématiquement, des flux d’émissions de polluants spatialisés (des « cadastres ») sont fournis au modèle,
les conditions météorologiques sont simulées à l’aide d’un modèle dédié (appelé Weather Research and Forecasting, WRF) et sur la base de ces deux informations Chimere déduit les concentrations des différents polluants considérés (ozone, particules fines, monoxyde de carbone, composés volatils organiques…). Ce modèle permet d’analyser des cas d’étude afin de caractériser et mettre en évidence des phénomènes liés à la chimie et au transport de la pollution naturelle (feux de forêt, éruptions volcaniques, poussières désertiques…) et anthropique (trafic, industries…). L’autre volet du modèle concerne la prévision opérationnelle de la qualité de l’air. Chimere est notamment le modèle utilisé par les associations de surveillance de la qualité de l’air en France, comme Airparif,
et l’un des modèles mis à contribution pour réaliser les prévisions de qualité de l’air à l’échelle de l’Europe.


 

Cette approche par la modélisation permet également de comprendre comment ces particules, émises à seulement 500 m d’altitude depuis Santiago, peuvent atteindre des glaciers jusqu’à 4­ 500 m plus élevés. C’est la présence d’un réseau de canyons connectant la capitale aux zones plus en altitude qui l’explique. Les masses d’air chargées en polluants sont guidées le long de ces vallées à pente douce jusqu’à atteindre les glaciers. Identifier les processus atmosphériques qui conduisent au dépôt de ce carbone suie est crucial pour éclairer les politiques publiques environnementales et les guider dans leurs tentatives de remédier au problème.

En synthèse, ces travaux mettent en lumière l’importance de contrôler les émissions de particules fines à Santiago et au Chili central, en été comme en hiver, dans une optique de préservation des ressources en eau de la région pour les années à venir.

Carton rouge pour la pollution des barbecues les soirs de foot

Le cas précédent s’intéresse aux conséquences de la pollution à relativement grande échelle. Mais la qualité de l’air d’une ville est avant tout gouvernée par ses sources d’émission locales. C’est le cas notamment pour les pics de pollution extrêmes qui peuvent se produire à Santiago, en particulier les épisodes hivernaux de particules fines.

Bien que le problème de la qualité de l’air soit suivi de près dans la capitale, avec des plans de dépollution de plus en plus ambitieux, des records de pollution ont été observés en 2014 et 2016. Lors de plusieurs jours de juin de ces deux années, les concentrations de particules fines ont grimpé, durant quelques heures, jusqu’à plus de 10 fois les niveaux habituellement rencontrés (eux-mêmes déjà élevés). Ce type d’événement déclenche des états d’alerte qui paralysent l’activité économique (régulation du trafic, arrêt de certaines industries) et conduit à une hausse significative des hospitalisations pour problèmes respiratoires. Menons l’enquête sur ces épisodes inouïs, dont l’origine restait jusqu’à maintenant mystérieuse.

Il est 20 heures ce 26 juin 2016, lorsque les concentrations de particules fines à Santiago franchissent un nouveau record historique. Étant donné la violence du crime et sa soudaineté, il ne peut être l’œuvre que d’une source de pollution locale. Par chance, plusieurs observateurs assistent à la scène : les stations de mesure de qualité de l’air de la ville. Grâce à elles, il est possible d’identifier la signature chimique de cette source, son ADN carac­téristique. Malheureusement, la confrontation de cette empreinte au fichier des suspects habituels (pots d’échappement, usines, chauffage au bois…) se révèle infructueuse. Il faut élargir le champ des recherches.

Si au moment exact des faits les stations de mesure veillent au grain, les habitants de la capitale ont quant à eux la tête ailleurs, et pour cause : leur sélection nationale de football dispute la finale de la Coupe d’Amérique. Là réside la clé du mystère. Car l’auteur des faits n’en est pas à son coup d’essai : déjà en 2014 lors de la Coupe du Monde il avait sévi, avec le même mode opératoire, mais avait échappé à la justice. Pas cette fois.

Il est de notoriété publique que les Chiliens célèbrent les événements importants (fêtes nationales, mais aussi matchs de football) à grand renfort de barbecues. Se pourrait-il que cette tradition, sous ses airs festifs, renferme une criminelle ? L’analyse ADN est formelle et indiscutablement accablante. À ce stade (sans jeu de mots) de l’enquête, le suspect principal fait donc son entrée : les émissions de particules des barbecues (c’est-à-dire la fraction la plus fine de leur fumée).

 

« Les barbecues allumés en masse à l’occasion
des matchs de foot sont responsables des records
de pollution à Santiago. »

 

Pour définitivement clore l’affaire, la scène du crime a été reconstituée, en présence du suspect, grâce au modèle Chimere. La ressemblance de cette reconstitution avec les faits réels est implacable et condamne définitivement le suspect : les barbecues allumés en masse à l’occasion des matchs de foot sont responsables des records de pollution à Santiago.

Sur le fondement des conclusions de l’enquête, les autorités ont pris les devants et des mesures pour éviter que le coupable agisse de nouveau lors de la Coupe d’Amérique en juin 2019, ce qui a généré une attention médiatique importante. Hasard météorologico-sportif ou succès judiciaire ? Le pollueur en série n’a plus frappé depuis lors…

Au-delà des résultats obtenus, ces travaux sont originaux par l’approche utilisée, qui pourrait être dupliquée pour d’autres régions du monde où des épisodes aigus de pollution se produisent. Ils soulignent par ailleurs la nécessité pour ce type de recherches de se situer à l’interface science-politique et de générer des connaissances directement applicables. Les autorités de Santiago suivent dorénavant avec une plus grande attention et anticipent les événements susceptibles de générer de nombreux barbecues simultanés.

Refroidissement par le feu : progresser dans l’analyse des interactions entre pollution et nuages

Jusqu’ici il a été question de pollution d’origine humaine, mais le territoire chilien recèle également des sources de pollution dites naturelles, comme les incendies forestiers saisonniers dans le centre du pays.

Une période de sécheresse de plusieurs années a été enregistrée récemment au Chili, avec comme point culminant des feux de forêt d’une étendue inédite à l’été 2017. Ce type de méga­feux relâche des quantités colossales de gaz et de fumée dans l’atmosphère, ce qui en modifie les propriétés et affecte les conditions météorologiques sur des centaines de kilomètres (voir image satellite).

Dans un contexte de changement climatique où il est probable que ce type d’événement devienne plus courant, une quantification des impacts associés s’impose. Ici encore, c’est la modélisation avec Chimere qui permet de traiter la question, couplée à des données satellites. En réalisant deux scénarios, l’un prenant en compte les incendies, l’autre faisant comme s’ils n’avaient pas eu lieu, et en analysant les différences, on peut déduire leur impact sur l’atmosphère.

Lors des jours les plus intenses de ces incendies, on observe par exemple un fort refroidissement de la température de l’air à la surface. En temps normal, le mécanisme qui permet à l’air d’être chauffé est le suivant : le rayonnement du Soleil (qui se situe dans le domaine des courtes longueurs d’onde) atteint la surface de la Terre, l’atmosphère y étant insensible, transparente. La Terre emmagasine cette chaleur et la restitue, cette fois avec un rayonnement à grande longueur d’onde qui, lui, interagit avec l’air et le réchauffe.

Mais, dans le cas de nos incendies, le panache de fumée est tellement dense et opaque que la lumière du Soleil est partiellement bloquée et absorbée par celui-ci. Elle atteint donc la Terre dans des proportions plus faibles, ce qui empêche le mécanisme précédent de pleinement se développer : il fait donc plus froid. On parle ici d’effet radiatif direct. Dans notre cas, le panache de fumée a refroidi la température au sol d’environ 1°C en moyenne et jusqu’à plusieurs degrés par moments.

Comme on peut l’imaginer, ce panache de fumée absorbeur de Soleil se retrouve à plusieurs centaines de mètres en altitude. Il modifie donc les températures sur toute la verticale, pas uniquement à la surface : en dessous du panache il fait plus froid, mais à proximité du panache il fait plus chaud puisqu’il absorbe la chaleur du Soleil. Cette modification de température change la capacité de l’eau contenue dans l’air en altitude à former des gouttelettes, et donc des nuages. On parle d’effet semi-direct.

Image satellite du panache de fumée lors des mégafeux chiliens de 2017.
Image satellite du panache de fumée lors des mégafeux chiliens de 2017. © image satellite (Suomi NPP VIIRS), le 26.1.2017
Source NASA Worldview

Combiné à cet effet semi-direct, un troisième effet météorologique important se produit : l’effet indirect. Pour se former, les gouttes d’eau des nuages ont besoin de matière autour de laquelle s’agréger. Un air saturé en vapeur d’eau mais parfaitement dépourvu de matière ne donnera naissance à aucune goutte. L’eau restera à l’état gazeux. La présence de noyaux de condensation sous forme solide ou liquide est un prérequis. Ce phénomène explique par exemple la formation de traînées blanches dans le sillage des avions à haute altitude (oui ce ne sont rien d’autre que des nuages !). Or le panache de fumée qui nous concerne se mélange partiellement avec les nuages au-dessus de l’océan Pacifique, comme on peut le deviner sur l’image satellite ci-contre, et fournit donc un supplément de noyaux de condensation : une quantité plus importante de gouttelettes peut se former.

 

« La couverture nuageuse est un déterminant clé du climat de notre planète.
Un changement, même mineur, peut entraîner des répercussions importantes sur le rayonnement
atteignant la surface de la Terre, et donc sa température. »

 

Dans le cas présent, la combinaison des effets semi-direct et indirect contribue à épaissir les nuages de quelques pourcents, c’est-à-dire ajouter des gouttes supplémentaires. Cela peut sembler insignifiant, mais la couverture nuageuse est un déterminant clé du climat de notre planète. Un changement, même mineur, peut entraîner des répercussions importantes sur le rayonnement atteignant la surface de la Terre, et donc sa température.

Les effets de la pollution sur les nuages sont encore mal quantifiés aujourd’hui. Le dernier rapport du GIEC fait état d’une grande incertitude sur son impact global, ce qui en fait l’un des thèmes de recherche du moment dans les sciences atmosphériques. Le type d’étude proposé ici est donc de grande importance pour contribuer à réduire cette incertitude et mieux estimer les conditions climatiques que nous rencontrerons dans les années à venir.

Le vent souffle en Atacama : analyse des poussières et prévision des émissions

Le désert d’Atacama, lui, ne risque pas de brûler, vu le peu de végétation qu’il compte. Son aridité, son étendue et sa très faible couverture nuageuse en font un lieu exceptionnel pour la production d’énergie solaire. Seul problème : le vent relativement fort qui y souffle et l’activité minière importante dans cette région soulèvent du sol des panaches de poussières minérales qui se transportent ensuite dans l’atmosphère. Ces poussières peuvent survoler les centrales solaires, voire se déposer sur les panneaux. Le Soleil est donc partiellement masqué, ce qui signifie moins de production d’énergie. L’enjeu économique sous-jacent est fort, et les développeurs de projets de ce type ont besoin de l’estimer.

Comme dans le cas des incendies, Chimere permet d’évaluer l’effet, en termes de watts disponibles par mètre carré, du passage d’un panache de poussière (effet radiatif direct). Dans le même temps, il est possible d’effectuer des prévisions d’émission et de transport de ces panaches. En combinant ces deux éléments, on peut alors prédire, quelques heures voire quelques jours à l’avance, d’éventuelles baisses de production à venir pour les centrales solaires d’Atacama.

Pour cela néanmoins, il faut connaître au mieux les propriétés et la composition du sol de ce désert. C’est ce qui a motivé une campagne de terrain sur place pour recueillir des échantillons de poussière. L’analyse de leur composition chimique et de leur distribution en taille permettra d’améliorer les données d’entrée de Chimere et de fournir de premières simulations fidèles des événements de poussières minérales dans le désert d’Atacama. Une rapide comparaison avec d’autres régions du monde où ce type d’estimation existe suggère que l’on peut s’attendre à une diminution de l’énergie solaire disponible de l’ordre de 10 %.

Fonte des glaces, barbecues, nuages, production d’énergie… la pollution atmosphérique touche à tout au Chili.

 


Références pour aller plus loin

  • Huneeus N., Lapere R., Mazzeo A., Ordoñez C., Donoso N., Muñoz R., and Rutllant J. Deep winter intrusions of urban black carbon into a canyon near Santiago, Chile: A pathway towards Andean glaciers, Environ. Pollut., 291, 118124, https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.118124, 2021.
  • Lapere R., Menut L., Mailler S., and Huneeus N. Seasonal variation in atmospheric pollutants transport in central Chile: dynamics and consequences, Atmos. Chem. Phys., 21, 6431–6454, https://doi.org/10.5194/acp-21-6431-2021, 2021.
  • Lapere R., Mailler S., and Menut L. The 2017 Mega-Fires in Central Chile: Impacts on Regional Atmospheric Composition and Meteorology Assessed from Satellite Data and Chemistry-Transport Modeling, Atmosphere, 12, 344, https://doi.org/10.3390/atmos12030344, 2021.
  • Lapere R., Mailler S., Menut L., and Huneeus N. Pathways for wintertime deposition of anthropogenic light-absorbing particles on the Central Andes cryosphere, Environ. Pollut., 272, 115901, https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.115901, 2021.
  • Lapere R., Menut L., Mailler S., and Huneeus N. Soccer games and record-breaking PM2.5 pollution events in Santiago, Chile, Atmos. Chem. Phys., 20, 4681-4694, https://doi.org/10.5194/acp-20-4681-2020, 2020.

 


Informations sur la thèse

J’ai effectué ma thèse de doctorat intitulée « Observation et modélisation des événements de pollution au Chili » au Laboratoire de Météorologie Dynamique, École Polytechnique, sous la supervision de Laurent Menut (DR CNRS) et Sylvain Mailler (IPEF). Celle-ci a été financée par une bourse doctorale de l’École Polytechnique. Ma soutenance a eu lieu le 30 septembre 2021 à l’École Polytechnique, devant un jury composé de Philippe Drobinski (président), Claire Granier, Gilles Forêt (rapporteurs), Laura Gallardo, Fabien Solmon (examinateurs), Jean-Christophe Raut, Florian Couvidat (invités), Laurent Menut et Sylvain Mailler (directeurs). Des informations plus détaillées sur mes travaux ainsi que mon manuscrit de thèse sont disponibles sur les sites web suivants : http://theses.fr/2021IPPAX057 (manuscrit) et https://www.lmd.polytechnique.fr/~rlapere/ (page personnelle)


 


Présentation du laboratoire d’accueil

Le Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) créé en 1968 à l’initiative de Pierre Morel est, depuis 1998, une unité mixte de recherche (UMR 8539) implantée sur trois sites universitaires : à l’École Polytechnique à Palaiseau, à l’École Normale Supérieure et à l’Université Pierre et Marie Curie à Paris. Le LMD a aussi des relations étroites avec le Centre National d’Études Spatiales (CNES) et il est membre de l’Institut Pierre Simon Laplace (IPSL), fédération de neuf laboratoires publics de recherche en sciences de l’environnement en Île-de-France. Le LMD étudie le climat, la pollution et les atmosphères planétaires en associant approches théoriques, développements instrumentaux pour l’observation et modélisations numériques. Il est à la pointe de la recherche sur les processus dynamiques et physiques permettant l’étude de l’évolution et la prévision des phénomènes météorologiques et climatiques.

Site web : https://www.lmd.jussieu.fr/


 

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