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Observation et modélisation des événements de pollutants au Chili

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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 l. A. Pollution atmosphérique au Chili, en mettant à contribution des modèles météorologiques et physicochimiques, combinés à des mesures de terrain et par satellite tv for pc. L’objectif est de mieux comprendre les processus sous-jacents afin, ultimement, de mieux informer les politiques en matière de gestion de los angeles 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 can pay, les champs de glace de Patagonie à son extrême sud, les volcans de los angeles cordillère des Andes à l’est culminant à près de 7 000 m d’altitude et sa façade Pacifique longue de four three hundred km, le Chili a une region à part dans los angeles 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 risk inquiétante pour l. A. Santé des individus, los angeles pérennité des écosystèmes et le climat. D’où vient cette pollutants ? Quels sont ses affects ? Voilà ce dont il est query ici.

À titre de comparaison, l’air de Santiago, los angeles capitale du pays, qui abrite environ 7 thousands and thousands d’habitants, est en moyenne deux fois plus pollué que celui de Paris, qui n’est pourtant pas réputée pour los angeles pureté de son atmosphère. Pire, les images de pollution hivernaux au Chili n’ont pas grand-selected à envier à ceux des tristement célèbres mégapoles indiennes ou chinoises. On trouve notamment dans le sud du will pay 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 pollutants 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 assets de polluants (trafic routier, industries…) et de laquelle les hundreds d’air ont du mal à s’échapper : los angeles pollutants stagne au-dessus de l. A. Ville. Cette configuration est typique de nombreuses villes du Chili.

Malgré une prise de moral sense dès les années 1990, los angeles pollutants atmosphérique reste un problème majeur, et parfois mystérieux, au can pay des lamas, des observatoires astronomiques et de Pablo Neruda.

Effet boule de neige de los angeles pollutants atmosphérique sur los angeles fonte des glaciers

Parmi les effets collatéraux de los angeles pollutants de l’air determine son effect sur los angeles fonte des glaciers. De la même manière qu’on évite de porter un t-shirt noir en été pour s’épargner une sudation trop severe, 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 situations météorologiques, atteindre les glaciers de l. A. 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 anxiety puisque le réchauffement climatique generally tend à réduire significativement los angeles taille des glaciers des Andes.

 

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

 

Puisque le glacier fond plus vite, los angeles roche sur laquelle il repose affleure plus rapidement. À une floor blanche succède donc une floor 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 vital pour mieux comprendre l’avenir de notre climat.

Grâce à un modèle numérique de chimie-shipping appelé Chimere (voir encadré ci-dessous), développé dans l’équipe où los angeles 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 los angeles 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’effect sur les glaciers. Les contrôler devient donc un enjeu à ne pas négliger.

 


Le modèle CHIMERE

Chimere est un modèle eulérien régional de chimie-delivery 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 l. A. 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 situations 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 shipping de la pollution naturelle (feux de forêt, éruptions volcaniques, poussières désertiques…) et anthropique (trafic, industries…). L’autre volet du modèle concerne l. A. Prévision opérationnelle de los angeles qualité de l’air. Chimere est notamment le modèle utilisé par les associations de surveillance de los angeles 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 l. A. 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 los angeles capitale aux zones plus en altitude qui l’explique. Les hundreds 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 essential pour éclairer les politiques publiques environnementales et les guider dans leurs tentatives de remédier au problème.

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

Carton rouge pour l. A. Pollutants des barbecues les soirs de foot

Le cas précédent s’intéresse aux conséquences de los angeles pollutants à relativement grande échelle. Mais los angeles qualité de l’air d’une ville est avant tout gouvernée par ses sources d’émission locales. C’est le cas notamment pour les photos 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 l. A. Capitale, avec des plans de dépollution de plus en plus ambitieux, des facts 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 kind 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 risk, plusieurs observateurs assistent à la scène : les stations de mesure de qualité de l’air de l. A. Ville. Grâce à elles, il est viable d’identifier la signature chimique de cette source, son ADN carac­téristique. Malheureusement, l. A. War of words 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 second actual des faits les stations de mesure veillent au grain, les habitants de la capitale ont quant à eux la tête ailleurs, et pour motive : leur sélection nationale de football dispute l. A. Finale de l. A. Coupe d’Amérique. Là réside los angeles clé du mystère. Car l’auteur des faits n’en est pas à son coup d’essai : déjà en 2014 lors de l. A. 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’examine ADN est formelle et indiscutablement accablante. À ce stade (sans jeu de mots) de l’enquête, le suspect predominant fait donc son entrée : les émissions de particules des barbecues (c’est-à-dire la fraction l. A. Plus best 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, los angeles 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 statistics 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 l. A. 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 pollutants se produisent. Ils soulignent par ailleurs l. A. Nécessité pour ce type de recherches de se situer à l’interface technological know-how-politique et de générer des connaissances directement applicables. Les autorités de Santiago suivent dorénavant avec une plus grande interest et anticipent les événements susceptibles de générer de nombreux barbecues simultanés.

Refroidissement par le feu : progresser dans l’examine des interactions entre pollutants et nuages

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

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 kind 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 tv for pc).

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 los angeles modélisation avec Chimere qui permet de traiter los angeles 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 ecu lieu, et en analysant les différences, on peut déduire leur impact sur l’atmosphère.

Lors des jours les plus intenses de ces incendies, on study par exemple un fort refroidissement de l. A. Température de l’air à l. A. Floor. 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 l. A. 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 los angeles 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 l. A. 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 los angeles chaleur du Soleil. Cette amendment de température change los angeles 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 tv for pc du panache de fumée lors des mégafeux chiliens de 2017. © photograph satellite (Suomi NPP VIIRS), le 26.1.2017
Source NASA Worldview

Combiné à cet effet semi-direct, un troisième effet météorologique vital se produit : l’effet oblique. 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 los angeles 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’picture 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 los angeles floor de los angeles Terre, et donc sa température. »

 

Dans le cas présent, la combinaison des effets semi-direct et oblique contribue à épaissir les nuages de quelques pourcents, c’est-à-dire ajouter des gouttes supplémentaires. Cela peut sembler insignifiant, mais l. A. 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 floor de los angeles Terre, et donc sa température.

Les effets de la pollutants sur les nuages sont encore mal quantifiés aujourd’hui. Le dernier rapport du GIEC fait état d’une grande incertitude sur son effect global, ce qui en fait l’un des thèmes de recherche du second dans les sciences atmosphériques. Le type d’étude proposé ici est donc de grande significance 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 los angeles manufacturing 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 citadel, 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 feasible d’effectuer des prévisions d’émission et de delivery 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 los angeles composition du sol de ce désert. C’est ce qui a motivé une campagne de terrain sur area pour recueillir des échantillons de poussière. L’examine 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… los angeles pollutants 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 wintry weather intrusions of urban black carbon into a canyon close to Santiago, Chile: A pathway in the direction of 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 variant in atmospheric pollutants shipping in significant 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 video games and document-breaking PM2.5 pollutants occasions in Santiago, Chile, Atmos. Chem. Phys., 20, 4681-4694, https://doi.Org/10.5194/acp-20-4681-2020, 2020.

 


Informations sur los angeles thèse

J’ai effectué ma thèse de doctorat intitulée « Observation et modélisation des événements de pollutants 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 ecu 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 websites net 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 web 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 members of the family 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, l. A. Pollutants et les atmosphères planétaires en associant approches théoriques, développements instrumentaux pour l’commentary et modélisations numériques. Il est à l. A. Pointe de la recherche sur les processus dynamiques et physiques permettant l’étude de l’évolution et l. A. Prévision des phénomènes météorologiques et climatiques.

Site net : https://www.Lmd.Jussieu.Fr/


 

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