Dossier : Climat   
    La recherche française sur le climat
  Les thèmes de recherche
  L'atmosphère, son évolution
 
   
ESCOMPTE : la pollution photochimique passée au crible
Extrait de la Lettre n°17 Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)


retour sommaire  

Les épisodes de pollution, observés localement, ont parfois une origine multiple, combinant les transformations de polluants primaires émis dans un rayon limité avec des panaches transportés depuis d’autres zones sur plusieurs centaines de kilomètres parfois à travers les frontières. Le programme ESCOMPTE s’intéresse à la pollution photochimique à l’échelle régionale. La zone étudiée est centrée sur la région Marseille – Fos – Berre. La thématique développée répond à des questions aussi bien fondamentales qu’appliquées.

     
     
   

Ce programme comporte des objectifs appliqués (avec des retombées attendues à court terme), parmi lesquels la mise au point d’outils de prévision des épisodes de pollution – comme on prévoit actuellement le temps – afin d’être à même d’informer et de prendre les mesures appropriées pour réduire l’ampleur et les effets de ces épisodes. Pour être efficaces, ces mesures doivent s’appuyer sur une connaissance de l’impact qu’elles auront, autrement dit, sur des études préalables de scénarios de réduction d’émissions ESCOMPTE s’inscrit également dans un effort de recherche à caractère plus fondamental, visant à progresser dans la connaissances des processus de chimie atmosphérique à l’échelle locale et régionale, et des interactions entre la dynamique et la chimie pour générer les épisodes de pollution observés.

La démarche du programme a été la suivante :

• choisir une région et une période se prêtant aux études envisagées;
• établir, sur cette région et pour cette période, un cadastre d’émissions sur une maille régulière recensant, avec une haute résolution spatio-temporelle, les quantités injectées dans l’atmosphère, qu’elles soient d’origine naturelle ou anthropique ;
• réaliser une expérience de terrain de grande envergure pour documenter, aussi précisément que possible, la dynamique et la chimie atmosphérique dans la basse troposphère, lors de quelques épisodes de pollution photochimique ;
• constituer, avec les mesures et le cadastre d’émissions, une base de données permettant à la fois des études de processus à partir des différentes mesures réalisées, l’évaluation et l’amélioration des modèles de chimie-transport sur les épisodes en question, et l’utilisation in fine de ces modèles pour des études de processus et de scénarios de réduction d’émissions.

Les sections qui suivent décrivent ces différentes étapes. Puis est présenté un résumé des principaux acquis du programme, trois ans après la fin de la grande campagne de terrain.

     
     
   

ESCOMPTE a fédéré une soixantaine d’équipes de recherche parmi lesquelles une dizaine en provenance d’Allemagne, d’Italie (JRC), de Suisse, du Canada, des USA. L’apport de ces équipes étrangères a été fondamental, tant au plan scientifique et instrumental, que financier. Pendant la campagne de terrain, 100 à 200 personnes ont été mobilisées en permanence, suivant l’intensité des observations. Deux programmes associés, l’un dédié à la météorologie urbaine (ESCOMPTE-CLU, Mestayer et al., 2004), l’autre à la tomographie des signaux GPS pour la mesure du champ de vapeur d’eau (Bock et al., 2004), ont profité de l’environnement expérimental pour réaliser une campagne de terrain sur l’agglomération marseillaise. Conduit dans le cadre des programmes inter-organismes PRIMEQUAL et PNCA, ESCOMPTE a été soutenu au plan national par de nombreux organismes et collectivités, principalement l’ADEME, les Associations de surveillance de la qualité de l’air AIRMARAIX et AIRFOBEP, le CNES, le Conseil Général des Bouches-du-Rhône, EDF, l’INERIS, l’INSU-CNRS, Météo-France, le Ministère de l’Ecologie et du Développement Durable, les villes d’Aix-en-Provence et Marseille.

     
     
 
 
 

Figure 1 – La région retenue pour réaliser l’expérience ESCOMPTE
 

Le domaine d’étude

La région retenue pour le programme se situe dans la zone méditerranéenne. C’est un parallélépipède de 120 km*120 km* 3 km, qui englobe les zones d’émissions anthropiques de l’agglomération marseillaise et du complexe industriel de Fos-Berre. Il contient également les parties sud des vallées du Rhône et de la Durance, ainsi que la région s’étendant à l’est de Marseille en direction du Var ; enfin, une portion significative de surface maritime est incluse dans le domaine. On couvre ainsi les zones dans lesquelles sont transportés, dans la plupart des cas, les panaches de polluants issus des zones d’émission lors des épisodes de pollution, pour des durées allant de quelques heures à une demi-journée (Figure 1). En altitude, le domaine retenu englobe la couche limite atmosphérique et la basse troposphère libre, de façon à pouvoir appréhender les échanges qui se produisent entre ces deux couches.

Cette région constitue en France la zone de plus forte occurrence des épisodes de pollution photochimique. Les conditions anticycloniques qui prévalent en été fournissent les fortes températures et le rayonnement (en particulier UV) nécessaires aux transformations photochimiques des précurseurs en ozone, mais aussi des gaz en particules. La principale campagne de terrain s’est déroulée du 5 juin au 13 juillet 2001 ; elle a été précédée d’une expérience préparatoire d’ampleur plus limitée au cours de l’été 2000.

     
     
   

Le cadastre d’émissions

Les concentrations de polluants observés dans une région donnée dépendent à la fois des émissions à la surface, du transport-diffusion (incluant le dépôt) et des transformations chimiques. La constitution d’un cadastre d’émissions fiable et détaillé est donc un des éléments-clé de la réussite du programme. Celui d’ESCOMPTE a, pour les épisodes observés pendant la phase expérimentale du programme, une résolution spatio-temporelle de 1 km*1 km*1 h. Il a été constitué par le LPCA et l’ADEME, à partir des inventaires de sources, fixes et mobiles, anthropiques et naturelles, établis par différents prestataires (François et al., 2004). Cette opération longue et coûteuse a un impact positif sur la qualité des simulations (Taghavi et Cautenet, 2004). Pour les émissions dans les domaines plus larges, nécessaires aux simulations décrivant le transport de plus grande échelle, les cadastres existants (par exemple, GENEMIS avec une résolution de 3 km) s’avèrent suffisants.

     
     

Figure 2 – Réseau de stations implantées pendant ESCOMPTE
 
 
 
 
 
 
 

Les mesures de terrain

Le dispositif expérimental déployé pendant la campagne de terrain, du 5 juin au 13 juillet 2001, a été conçu pour documenter à la fois la dynamique et la chimie, la surface et la basse troposphère, la mer et le continent, l’échelle locale et régionale. On en trouvera une description détaillée dans Cros et al. (2004) et Durand et Cros (2004). Il s’agit probablement du plus ambitieux déploiement réalisé sous le pilotage d’équipes françaises en physico- chimie atmosphérique, et peu d’équivalents existent dans le monde :

• mesures aéroportées : elles ont été réalisées avec sept avions, des ballons plafonnants lâchés de deux sites « source » et des radiosondages sur 4 sites ;
• télédétection : 24 instruments de télédétection active (lidars, radars et sodars) mesuraient les profils de vent et d’ozone, généralement de façon couplée,
• sites de surface : deux navires mesuraient la chimie de l’air marin ; une trentaine de sites continentaux, équipés pour mesurer la météorologie et/ou la chimie, étaient répartis à proximité des zones d’émission, et plus à l’intérieur des terres pour traquer les nuages de polluants transportés dans les circulations de brise et de vallées.

Ce déploiement venait compléter les réseaux des associations de surveillance de la qualité de l’air (AIRMARAIX et AIRFOBEP). Ceux-ci offraient déjà une couverture importante de la région, et leur support avait été une des motivations du choix de cette région pour réaliser l’expérience ESCOMPTE. La Figure 2 donne une illustration des stations installées spécifiquement pour la campagne, pour la mesure des paramètres de surface. Elles ont été déployées de façon à couvrir les principales orientations des panaches de polluants issus des zones source, indiquées par les flèches sur la Figure 1.

Afin de rendre les données utilisables au mieux, un effort tout particulier a été déployé pour le «contrôle qualité» (QC/QA). Une semaine en début de campagne a été dédiée aux inter-comparaisons entre plates-formes, regroupées pour la circonstance sur trois sites, et, en fin de campagne, des vols en patrouille ont été réalisés par les quatre avions équipés de façon similaire. Après la campagne, des études complémentaires ont été conduites pour comprendre les différences observées et améliorer la précision des mesures.

     

Figure 3 – Conditions observées pendant la période ESCOMPTE
 

Les périodes d’observation

Sans atteindre les records observés au cours de l’été 2003, la fenêtre retenue pour l’expérience se révéla judicieuse. Cinq périodes d’observation intensive (POI) furent activées, avec des conditions différentes (deux épisodes de pollution élevée avec vents très faibles et cycles de brise, et deux épisodes avec des panaches canalisés par un écoulement permanent, combiné dans la journée avec la brise de mer). La Figure 3 illustre les conditions observées, et les 5 POI déclenchées.

     
     
   

La base de données

Les deux années qui ont suivi la fin de la campagne de terrain ont été consacrées à la constitution d’une base de données. La réalisation matérielle a été confiée à Medias- France. Le taux de remplissage en est aujourd’hui supérieur à 90%. Cet outil comporte :

• le cadastre d’émissions spécifiquement constitué pour ESCOMPTE,
• les mesures réalisées tout au long de la campagne de l’été 2001,
• les mesures réalisées lors des trois journées de la campagne préparatoire de l’été 2000, baptisées «POI 0».

Une interface permet une extraction aisée des données choisies par fenêtrage spatio-temporel, plates-formes et/ou paramètre (http://medias.obs-mip.fr/escompte).

Une particularité est constituée par la POI 3 (2 au 4 juillet 2001), dont les données sont tenues cachées, y compris pour les participants à la campagne, et ce jusqu’à l’été 2004. Cette opération a pour but de réaliser un exercice de simulation numérique «en aveugle», ce qui donnera une clé d’évaluation supplémentaire des outils mis en œuvre dans l’exercice de modélisation (voir ci-dessous).

     
     
   

Les simulations

La simulation numérique a constitué un outil essentiel d’ESCOMPTE au cours de toutes les phases du programme : les simulations préparatoires ont aidé à la définition du dispositif expérimental, en faisant ressortir les paramètres et les zones à documenter. Le groupe de projet ainsi constitué a pu, dès la fin de la campagne de terrain, mettre à profit les mesures pour améliorer les différents modules, dynamiques, physiques et chimiques des codes utilisés. Ces différentes phases ont concerné 7 équipes, mettant en œuvre des modules dynamiques et/ou chimiques, et ce à différentes échelles (on trouvera la liste dans Cros et al., 2004).

A compter de mai 2003, un exercice ouvert de modélisation a été lancé sur les épisodes d’ESCOMPTE. Il comporte la simulation, dynamique et/ou chimique, des épisodes observés pendant les 6 POI du programme, y compris la POI cachée. Une dizaine d’équipes travaillent dans ce projet, dont le rendu doit avoir lieu à la fin de l’année 2004.

En parallèle, et faisant suite à un appel d’offres lancé en 2003 par le programme PRIMEQUAL, la base de données ESCOMPTE est utilisée pour simuler des scénarios de réduction d’émissions en vue de limiter l’impact des épisodes de pollution photochimique. Rappelons que cet objectif faisait partie des affichages initiaux du programme. Il illustre une des retombées appliquées d’ESCOMPTE.

     
     

Figure 4 : Mesure du vent horizontal
 

Les premiers résultats du programme ESCOMPTE

La période actuelle voit l’achèvement de la première vague d’études conduites à la suite de l’expérience de terrain. Elles ont souvent été réalisées dans le cadre de thèses des universités (une trentaine sont en cours ou ont été soutenues, basées partiellement ou totalement sur ESCOMPTE). Une quarantaine d’articles ont été rédigés sur la base de ces travaux, la majorité d’entre eux (25) constituant un numéro spécial de la revue Atmospheric Research, qui devrait paraître à la fin de l’année 2004.

Nous nous limitons ici à donner quelques illustrations qui font ressortir les avancées du programme, à la fois dans le domaine des études de processus liés à la pollution photochimique, et dans les aspects plus appliqués ayant justifié les soutiens des institutions.

Canalisation de la brise par les reliefs

L’expérience des acteurs locaux (en particulier, les AASQA), basée sur une observation de plusieurs dizaines d’années, était déjà riche. La connaissance de la répartition géographique, en surface, des panaches de polluants issus de l’agglomération marseillaise et de l’Etang de Berre, est confirmée dans ses grandes lignes par les observations et la modélisation. Toutefois, certains processus dynamiques «fins», liés par exemple à des circulations complexes de brise canalisées par les reliefs, ont été mis en évidence. Ces processus conduisent à la pénétration ou pas dans la vallée étroite de la Durance, ou encore à des différences importantes observées sur l’épaisseur de la couche de mélange des polluants, suivant la configuration orographique (cf. une illustration sur la Figure 4).

     
   

Formation d’aérosols secondaires

Les mesures d’aérosols, réalisées sur 7 sites (voir Figure 2), ont permis de mettre en évidence la formation d’aérosols secondaires. Les processus conduisant à cette formation sont actuellement à l’étude, et l’une des pistes envisagées est d’origine photochimique. Cela implique que dans les études à venir l’impact des particules dans la production photochimique de l’ozone sera à prendre en compte. Cela implique également que les cadastres d’émission devront inclure un volet particules, ce qui nécessite des étapes de validation comme cela a pu être fait auparavant pour les gaz (Cachier et al., 2004).

     

Figure 5 - Profils d'ozone
 
 
 

Figure 6 - Concentration d'ozone
 

Distribution de l’ozone : hétérogénéités locales et transport longue distance

Les nombreuses observations en altitude ont fait ressortir l’hétérogénéité spatiale des champs de scalaires. Des différences de l’ordre de 20 ppb d’ozone, mesurées sur des distances aussi faibles que 2 à 3 km, furent dans un premier temps mises sur le compte des différences entre les instruments et les techniques de mesure. Un effort de qualification des données et de définition des erreurs, à la suite en particulier de l’opération de QC/QA conduite en début et fin de campagne, permit par la suite de valider ces observations et de confirmer leur origine physique. Dans de telles conditions, seule une modélisation couplée dynamique-chimie, avec une résolution suffisante (quelques kilomètres) peut permettre de résoudre le bilan d’un composé tel que l’ozone.

Les mesures ont également montré l’impact du transport sur de longues distances, avec les traces retrouvées tantôt des panaches de la région de Barcelone, tantôt de la région de Lyon, voire de la région parisienne (Corsmeier et al., 2004 ; Cousin et al., 2004). Une modélisation mésoéchelle ne pourra dont être réaliste que si elle est contrainte aux frontières du domaine par des champs météo-chimiques de bonne qualité. La phase de qualification des simulations réalisées est donc primordiale, et peut se faire de façon exhaustive grâce à la richesse de la base de données constituée (Voir des illustrations Figures 4, 5 et 6).

     

Figure 7 - Variation de la vitesse de production photochimique de l’ozone
 
 
 
 

Figure 8 – Champs horizontaux de production d’ozone
 
 
 
 

Production de l’ozone

Les «réacteurs chimiques» conduisant à la fabrication de l’ozone ont pu être observés à la fois en surface, à partir de différentes stations installées sur le parcours des nuages de polluants, et en altitude, par les mesures aéroportées dans la couche limite, à différentes heures de la journée. La chimie est très active le matin et en milieu de journée, suivant le schéma réactionnel bien connu mettant en jeu les précurseurs de l’ozone (oxydes d’azote et composés organiques volatiles : COV) sous l’action du rayonnement UV. Les COV ont été analysés à partir de prélèvements effectués très régulièrement lors des POI à la fois près des zones d’émission anthropique, et plus loin sur les lieux de présence des panaches. Ces analyses ont permis de quantifier les différentes sources (transports, industrielles, biogéniques, etc.), et d’évaluer ainsi leur potentiel à créer de l’ozone. L’importance des VOC d’origine biogénique a ainsi été mise en évidence. L’abondance de ces derniers impose le régime chimique observé pendant la plus grande partie de la campagne : le facteur limitant la production d’ozone est alors la concentration d’oxyde d’azote, ce que l’on qualifie par «régime sensible aux NOx». Ce n’est qu’au cœur de certains panaches, là où la concentration en NOx est élevée (du fait du trafic routier principalement), que le régime peut devenir sensible aux COV (voir Figure 7).

Dans l’ensemble, les vitesses de production chimique d’ozone observées étaient très élevées à l’intérieur des panaches (plusieurs dizaines de ppb par heure, voir Figure 8). L’analyse complète du bilan d’ozone, prenant en compte les termes de production et destruction chimique, transport par le mouvement moyen et la turbulence, et dépôt à la surface, ne peut se faire qu’au travers d’une modélisation couplée dynamique-chimie, prenant en compte les différentes échelles (locale, régionale, inter-régionale). C’est ce qui est étudié actuellement par le biais de l’exercice de modélisation
(http://medias.obs-mip.fr/escompte/exercice/HTML/exe.html).

     
     
   

Conclusion

L’approche retenue pour la campagne ESCOMPTE a été de concentrer un maximum de moyens expérimentaux sur une période limitée de temps, en travaillant sur un site certes complexe mais favorable à l’occurrence d’épisodes de pollution photochimique. La démarche est donc différente mais complémentaire d’autres programmes tels ESQUIF, où des moyens nécessairement plus réduits restent mobilisés sur une période beaucoup plus longue, dans une région a priori plus simple d’accès (la région parisienne). De plus, un effort important a été consenti dans ESCOMPTE pour développer un cadastre de qualité à haute résolution, et se doter d’une batterie de modèles de chimie-transport pour l’analyse scientifique.

ESCOMPTE est le support d’études de processus dynamiques et chimiques, qui vont se poursuivre pendant encore quelques années. Ce programme est également pourvoyeur d’outils (améliorés grâce aux études de processus), grâce auxquels on pourra dorénavant faire de la prévision de chimie régionale (comme on le fait aujourd’hui pour la météorologie), outils qui permettront de prendre les mesures ad hoc pour réduire et gérer au mieux les épisodes de pollution de façon à en limiter l’ampleur et les conséquences.

La plupart des travaux auxquels il est fait référence dans cet article va être publiée dans le numéro spécial d’Atmospheric Research dédié au programme ESCOMPTE.

     
     
   

Contact : Bernard CROS
Labo. d’Aérologie (UMR UPS-CNRS 5560)
Observatoire Midi-Pyrénées 14
avenue E. Belin - 31400 – Toulouse
Pierre DURAND
GAME (URA Météo-France-CNRS 1357) - CNRM
42 avenue G. Coriolis - 31057 – Toulouse Cedex 1

     


© CNRS - Contact : Sagascience@cnrs-dir.fr  - http://www.cnrs.fr