L’atmosphère et le climat de Paris à la loupe : mieux comprendre la dynamique et la qualité de l’air

Mieux comprendre la dispersion des polluants

En région parisienne, les écoulements de l’air sont affectés par les masses d’air à grande échelle, sur des milliers de kilomètres avec des vents d’ouest, d’origine océanique ou des vents de nord-est, d’origine continentale, qui peuvent apporter en été pollution ou chaleur. Ces vents peuvent générer des panaches de pollution et de chaleur qui s’étendent en aval de la zone urbaine. En parallèle, à l’échelle de la région, en fonction des gradients de température entre la ville et la campagne, on peut avoir la mise en place de brises urbaines qui convergent des zones péri-urbaines vers la zone urbaine, pouvant apporter de l’air plus frais, plus humide et moins pollué. Il peut aussi y avoir des écoulements locaux du fait des contrastes de nature et occupation des sols entre des quartiers selon la densité et le type de bâtiment ou la présence de zones végétalisées (parcs, bois). Enfin, les mouvements de l’air peuvent être modifiés par la structure tridimensionnelle de la ville, la rugosité du sol. Des zones de faible friction, notamment le long de fleuves comme la Seine, permettent au vent d’accélérer. Même s’il n’est pas très marqué, il y a également un peu de relief en région parisienne, avec des points bas le long de la Seine, des collines dans Paris, et des plateaux notamment dans le sud et l’ouest de la région. 

Une autre caractéristique clé de la dynamique atmosphérique est l’épaisseur de la couche limite de l’atmosphère, aussi appelée couche de mélange : c’est la partie la plus basse de l’atmosphère, qui est influencée directement par la nature du sol ; tous les composés gazeux et particulaires émis depuis la surface s’y mélangent verticalement. L’épaisseur de cette couche varie fortement en fonction des moments de la journée. La nuit, sous l’effet de refroidissement radiatif, les mouvements dynamiques verticaux sont inhibés (on dit que la couche limite atmosphérique devient stable). Son épaisseur est réduite, de l’ordre de quelques centaines de mètres. Le jour, sous l’effet des flux de chaleur, les mouvements verticaux se développent (on dit que la couche limite atmosphérique devient instable). Cette couche s’épaissit alors jusqu’à atteindre 200 à 500 m l’hiver, tandis qu’elle peut atteindre plus de 2-3 km l’été sous un fort ensoleillement. Ceci explique qu’il y ait souvent des pics de pollution l’hiver : les polluants y restent davantage concentrés dans les basses couches. La stabilité et l’épaisseur de la couche limite atmosphérique sont également contrastées entre les zones rurales et la zone urbaine.

Toutes ces échelles spatiales (horizontales et verticales) interagissent et donnent les caractéristiques finales du vent, son profil vertical, l’intensité de la turbulence, la stabilité verticale de l’atmosphère, qui permettent de disperser la pollution et donc de piloter le niveau de pollution en ville. En cas de fort ensoleillement, la ville chauffe dans la journée, emmagasine de la chaleur et chauffe à son tour l’air dans la couche limite atmosphérique. Cette restitution de chaleur se poursuit durant toute la nuit. Avec le vent, la chaleur se déplace. On retrouve ainsi  des pics de chaleur en aval de la ville. Actuellement, les modèles de simulation numérique représentent de manière simplifiée les échanges de chaleur entre les surfaces et l’atmosphère, et les impacts et rétroactions avec la dynamique atmosphérique, alors que ceux-ci sont d’une grande complexité.. 

Le projet Dynamics est un ensemble d’activités qui a pour objectif de mieux caractériser la dynamique de l’atmosphère dans l’environnement urbain. Des lidars doppler mesurant le vent (au centre de Paris, sur la Tour Zamansky (tour centrale de Jussieu), au Sirta – voir notes, et sur le site de l’aéroport de Charles de Gaulle Etoile) permettront de documenter le vent sur la région.

Les informations nécessaires seront fournies grâce à l’amélioration d’appareils permettant traditionnellement d’étudier les nuages (des mini lidars automatiques) qui pourront désormais donner le profil vertical des aérosols et permettront d’en tirer des informations utiles pour comprendre l’épaisseur de la couche et la manière dont elle évolue entre la ville et la campagne. Des radiosondages par ballons compléteront l’ensemble en donnant des profils de température, d’humidité et de vent.

Mieux comprendre les particules atmosphériques

La pollution atmosphérique comprend les particules de taille inférieure ou égale à 10 μm (PM10) et à 2,5 μm (PM2,5). On appelle ces dernières les particules fines. Le terme de particules ultrafines ou nanoparticules désigne généralement les particules de diamètre inférieur à 0,1 μm.

On connaît assez bien l’impact sur la santé des particules inférieures à 10 μm : les PM10 peuvent pénétrer dans les bronches, tandis que les PM2 pénètrent dans les alvéoles pulmonaires. À la clé, différents troubles respiratoires, des réactions inflammatoires, mais aussi des cancers. Des études montrent, en moyenne, une perte de 15 mois d'espérance de vie à 30 ans du fait de l'exposition aux PM2,5 dans les zones urbaines de plus de 100 000 habitants.

L’effet des particules ultrafines cependant est encore peu connu mais l’état actuel des connaissances laisse penser que les particules les plus fines se déposent dans les voies respiratoires profondes en proportion nettement plus importante que les particules les plus grosses. Elles laissent également craindre des effets sur la santé, notamment des interactions au niveau cellulaire. Cependant si elles sont présentes en très grand nombre, les particules ultrafines sont très peu prises en compte dans les mesures en raison de leur très faible masse.

Toute mise en place de stratégies de réduction efficaces ne peut se faire que si l’on dispose d’une bonne connaissance des origines et des sources de particules. Financé par l’Union européenne, le projet RI-URBANS (Research Infrastructures Services Reinforcing Air Quality Monitoring Capacities in European Urban & Industrial AreaS) vise à mettre en œuvre de nouveaux outils de service qui amélioreront la surveillance de la qualité de l'air dans les villes européennes en se concentrant sur les particules atmosphériques, et notamment les nanoparticules, dont il étudiera la taille, les constituants, les sources et les précurseurs gazeux.

L’objectif du projet est d’améliorer également la modélisation et les inventaires d'émissions de ces particules afin de permettre l'évaluation des plans d’action. Il mettra en œuvre à ces fins des projets pilotes dans neuf grandes villes européennes[i].  A ces fins, le projet s’appuie fortement à la fois sur des réseaux locaux de surveillance de la qualité de l'air et des infrastructures européennes de recherche sur la composition de l'atmosphère comme ACTRIS et IAGOS.

RI-URBANS évaluera également les effets des particules sur la santé. La question principale est de déterminer si c’est la taille ou la composition des particules qui est le paramètre discriminant. Certains composés auraient peut-être moins d’effets sur la santé que d’autres. Il faudra donc corréler les taux de mortalité et la concentration des différents polluants.

Le stress de l’arbre urbain

Les épisodes de chaleur, les sécheresses, la pollution n’ont pas qu’un effet sur nous, les humains. La végétation urbaine est également très touchée. L’arbre urbain a des spécificités : il reçoit beaucoup de stress, thermique et hydrique, et bénéficie de peu d’espace, notamment racinaire. Or, comme on s’attend à plus de sécheresses, le stress hydrique est amené à devenir plus fréquent avec le changement climatique. Ce stress pourrait-il avoir des incidences sur la qualité de l’air ?

Pour comprendre cette question, il faut appréhender l’ensemble des effets de la présence d’arbres en ville : Tout d’abord, les arbres sont des émetteurs de composés organiques volatils (COV), ce qui est important en chimie atmosphérique parce qu’en réagissant dans l’atmosphère, les COV forment de polluants secondaires (voir note de bas de page), comme par exemple l’ozone et les aérosols organiques secondaires, qui ont des impacts sanitaires.  Avec le stress, les arbres émettent-ils plus de composés volatils ? Les arbres urbains impactent la composition atmosphérique et le climat de différentes manières: à travers les échanges dé CO2, l’évapotranspiration, les émissions de COV, mais ils constituent également un "puits" pour les concentrations de polluants. Ceux-ci peuvent se déposer sur les feuilles, ce qui peut réduire leur concentration dans l’atmosphère. Cependant cela a des effets néfastes sur la santé de l’arbre. Enfin, dans les « rues canyon » (c’est-à-dire fortement enclavées par des bâtiments, par opposition aux « rues ouvertes »), la configuration entraîne le confinement des polluants entre les bâtiments amplifié par la présence d’arbres.  Certes les arbres peuvent atténuer le rayonnement solaire dans les rues et rafraîchir l’atmosphère, mais  en réduisant les échanges  avec l’air situé au-dessus des bâtiments, la présence d’arbres peut également freiner la dispersion des polluants émis dans la rue. Ainsi, la capacité des arbres à piéger des polluants peut être surpassée par leur tendance à limiter leur dispersion dans l’atmosphère . On a d’ailleurs observé qu’outre la  température, la qualité de l’air pouvait être très différente d’une rue à l’autre.

C’est en essayant de représenter tous les liens entre arbres, ville et qualité de l’air que le projet sTREEt (Impact of STress on uRban trEEs on ciTy air quality) espère mieux caractériser les émissions de COV par les arbres urbains et, in fine, mesurer quel pourrait être l’impact du stress hydrique sur la formation de polluants secondaires] et donc sur la qualité de l’air. Des questions qui s’avèrent primordiales quand la végétalisation apparaît à beaucoup comme la solution miracle aux canicules urbaines ! Dans le cadre de la planification urbaine, il sera d’ailleurs intéressant de rentrer dans le détail des espèces d’arbres car elles émettent  différents types de COV et dans des proportions différentes.

Une première phase du projet a démarré il y a deux ans à Vitry. En environnement semi-contrôlé, on a pu étudier en détail des platanes auxquels on infligeait un stress hydrique. Les COV émis par les platanes ont été mesurés à l’échelle de la branche et de la feuille et leur physiologie a été étudiée : échanges gazeux (assimilation de CO2 et transpiration), potentiel hydrique,  teneurs en eau et en  en pigments des feuilles, fluorescence chlorophyllienne.   Le stress appliqué en 2021 étant modéré, l’expérimentation se poursuit en 2022 avec l’établissement d’un stress plus intense.  À présent le projet se concentre en environnement urbain in situ: le site de mesure est un petit jardin entre l’Hôtel de ville et les quais de Seine, qui abrite plusieurs espèces. Pendant le mois de la campagne, on va y mesurer en continu la composition atmosphérique en termes de COV, d’oxydes d’azote, et de particules. Les scientifiques utiliseront une méthode innovante : mesurer la teneur en carbone 14 sur les particules pour distinguer l’origine anthropique ou biogénique des sources. De plus des mesures d’émissions de COV par les différentes espèces d’arbres seront réalisées à l’échelle de la branche grâce à l’utilisation d’une chambre dynamique d’échantillonnage des échanges gazeux. Toutes ces mesures seront utilisées dans un modèle qui prendra également en compte les transports de polluants issus des différents endroits. Il devra aussi représenter chacune des rues de Paris avec sa population spécifique d’arbres. Arrivera-t-on à représenter les parts biogéniques et anthropiques aux différentes échelles avec ces modèles ?

Quand le panache de pollution interagit avec les forêts alentour

Monté dans le cadre du programme MOGPA1 , le projet Across s’intéresse également aux arbres et à l’impact des émissions de composés organiques volatils (COV) sur la qualité de l’air. Mais il dépasse la zone strictement urbaine pour regarder ce qui se passe quand le panache de pollution urbaine interagit  avec les forêts alentour. La question n’a pas qu’un intérêt théorique. Paris, comme beaucoup de grandes villes, est entouré de grandes forêts et l’on sait en particulier que lors des épisodes anticycloniques, la forêt de Rambouillet, au sud-ouest, récupère le panache urbain. Ces interactions peuvent  avoir des impacts dans la production des polluants secondaires, comme l'ozone ou les aérosols organiques secondaires aussi bien en termes de quantité que de propriétés notamment pour ces derniers. Mieux comprendre les processus physico-chimiques impliqués dans ces environnements mixtes permettrait d’améliorer notre capacité, via des modèles, à prévoir les épisodes de pollution mais également à tester des stratégies de réduction de pollution.

Une campagne intensive est organisée cet été sur plusieurs sites de mesure pour retracer l’évolution du panache urbain : un site en ville, dans le 13ème arrondissement, près de la Bibliothèque François Mitterrand, qui sert de site de référence ; un site intermédiaire à sur le plateau de Saclay (au Sirta), et enfin un site en forêt de Rambouillet. Ce dernier, mis à disposition par l'Office national des forêts (ONF), comprend une tour de 40 mètres de haut anciennement utilisée pour surveiller les feux de forêt. Pour la campagne, plusieurs instruments seront disposés au sommet de la tour et dans des conteneurs au sol pour effectuer des mesures de la composition de l'atmosphère. Le sommet des arbres étant à environ 20 mètres, la tour permet d’échantillonner à différentes hauteurs dans la canopée et bien au-dessus. Pour effectuer des mesures complémentaires, et selon les prévisions météorologiques et de qualité de l’air fournies par Météo-France, Airparif et l’INERIS, l’avion instrumenté de recherche ATR-42 de l’infrastructure de recherche SAFIRE fera des incursions dans le panache à différentes distances de Paris pour étudier sa composition notamment lorsqu'il interagit avec les émissions biogéniques des forêts périurbaines.  Pour compléter le tableau, en fonction des conditions météorologiques, l’avion étudiera le panache urbain dans d’autres directions, et ainsi son interaction avec d’autres forêts franciliennes et alentours, comme à Fontainebleau au sud, ou dans le Vexin ou l’Oise au nord, ou sans forêt, comme dans la Brie à l’est.

• 1En 2017, à la suite de la décision des États-Unis de sortir de l’Accord de Paris, le Président de la République Emmanuel Macron avait lancé un appel aux chercheurs, aux entrepreneurs, aux associations et aux O.N.G., aux étudiants et à toute la société civile à se mobiliser et à rejoindre la France pour mener la lutte contre le changement climatique. A alors été lancé un programme prioritaire de recherche, le MOGPA (pour Make Our Planet Great Again), dont le pilotage scientifique a été confié au CNRS. En savoir plus https://www.enseignementsup-recherche.gouv.fr/cid124217/make-our-planet-great-again-18-premiers-chercheurs-selectionnes.html