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EDI - Emissions, Dépôts, Impacts

L’évolution des émissions de gaz et de particules, si elle n’est pas limitée, peut entraîner un bouleversement climatique et sanitaire (réchauffement climatique, changement du régime des précipitations, détérioration de la santé publique, santé des écosystèmes…). Il convient donc aujourd’hui d’affiner les estimations de ces impacts, encore mal connues. Les objectifs de l’équipe EDI s’inscrivent dans cette thématique en proposant des études sur les aérosols et les gaz: inventaires d’émission régionaux à globaux et leurs évolutions, caractérisation de la composition physicochimique de l’atmosphère et des dépôts avec études de leurs variations temporelles, impacts régionaux climatiques et impacts sur la santé. La mise en œuvre de ces travaux combine mesures in situ, observations satellitaires et modélisation numérique régionale et globale. Le terrain d’action est l’Europe notamment en Méditerranée (Charmex), l’Afrique et l’Asie, notamment en Chine. Ce projet est porté par le service d'observation, IDAF que l'équipe coordonne. Il faut également souligner l’implication forte de l’équipe EDI dans les programmes globaux internationaux DEBITS, ACCENT, GEIA, IGAC, IPCC, dans le développement de la base de données internationale ECCAD de l’OMP et dans l’axe "Environnement - Santé - Société" de l’OMP.

Axe 1 – Inventaires d’émissions régionaux à globaux et leurs évolutions

Emissions anthropiques d’aérosols et de gaz

Le développement d’inventaires d’émissions anthropiques (trafic, feux de biomasse, industries, feux domestiques …) de gaz et de particules pour le présent, le passé et le futur (de 1860 à 2100) est un axe de recherche important de notre équipe, en vue d’établir leurs impacts climatiques et sur la santé. Le terrain d’action est global avec un intérêt particulier pour l’Afrique et les pays méditerranéens.Il s’agit de limiter les incertitudes des inventaires d’émissions avec une stratégie multiforme et coordonnée. (1) Il convient de jouer un premier rôle au niveau international en proposant des intercomparaisons d’inventaires dans le cadre des programmes internationaux (GEIA, ACCENT, IPCC). (2) Il convient de proposer des estimations basses et hautes des émissions et des tests de sensibilité associés à leur utilisation par modélisations multi-échelles et confrontation aux données observées en surface, par avion et par satellite. (3) Des campagnes de mesures in situ ou en chambre de combustion sont organisées régulièrement pour caractériser les émissions des sources (centrales thermiques, espèces méditerranéennes, feux domestiques, flaring, déchets… ) et des espèces (bilan de la matière organique, composés organiques volatils anthropiques, métaux lourds et HAPs) peu connues. (5) Ces études expérimentales sont associées au développement d’inventaires régionaux pour le présent et le futur. Il y a là une connection forte entre émissions, énergie et économie déjà entamée, encore à développer.

Emissions biogéniques 

Deux thématiques sont développées au sein de cet axe : (1) les émissions de composés azotés en région Sahélienne et (2) les émissions de Composés Organiques Volatils en région méditerranéenne, à l’aide d’une approche couplée mesures/modélisation.

(1) Composés azotés en région Sahélienne :

Au Sahel, l’azote réactif provient de sources telles que le sol (qui émet naturellement du NO lorsque le sol sec s’humidifie au démarrage de la saison des pluies), les excréments d’animaux (à l’origine de la volatilisation de l’ammoniac), les feux de végétation et les feux domestiques (source de NOx et de NH3).

La quantification des émissions biogéniques de composés azotés (NO, NO2, NH3) est réalisée dans l’équipe à la fois par le biais de mesuresin situ et par la modélisation à l’échelle locale et régionale. Des mesures de concentrations et de flux de composés azotés au Sahel (Mali, Sénégal, Niger) sont menées en parallèle avec des mesures de caractérisation des sols (contenu en C, N, pH, texture, humidité, température) afin de mieux comprendre les processus dans le sol qui produisent ces émissions vers l’atmosphère. La modélisation (STEP, SURFEX, MesoNH, RegCM4) permettent à la fois de simuler les processus de formation d’azote dans les sols, les flux d’émission, ainsi que leurs impacts sur la composition de la chimie atmosphérique.

(2) Composés Organiques Volatils en région Méditerranéenne :

Différentes campagnes de mesures ont été organisées dans le cadre du programme CHARMEX et ont permis de mesurer les émissions d’isoprène sur une végétation typique de la région Méditerranéenne (chênes blancs), en collaboration avec l’équipe ANTEE et grâce au développement d’un prototype de mesures de flux. Ces mesures ont permis d’établir un algorithme d’émission d’isoprène, qui, implanté dans Méso-NH doit permettre de modéliser l’impact sur la formation d’ozone des émissions d’isoprène à l’échelle régionale, et d’obtenir un inventaire d’émission d’isoprène précis sur la zone. En parallèle, des simulations effectuées avec le modèle RegCM4, couplé au module MEGAN, seront effectuées afin de mieux représenter l’impact des émissions de COV à l’échelle du bassin Méditerranéen, sur des périodes longues (de l’ordre de la décennie).

Emissions de gaz à effet de serre (GES) par les barrages :

La thématique des émissions de GES (CO2, CH4, N2O) par les barrages est l'objet d'une grande attention de la part du GIEC et de l'UNESCO. Les études conduites dans le cadre de cette thématique portent sur l'amélioration de la compréhension des processus responsables de ces émissions, et sur la quantification de celles-ci (réduction de l'incertitude sur l'évaluation des émissions de GES par les barrages actuelles et à venir). Les émissions sont mesurées en même temps que les caractéristiques physiques, biologiques et chimiques de l'eau et des sédiments des barrages. Les mesures accumulées tout au long des différentes campagnes ont vocation à saisir autant que faire se peut la variabilité temporelle et spatiale des émissions de GES et des processus biogéochimiques associés. Les travaux menés s’appuient donc sur des campagnes de terrain effectuées sur des barrages en milieu tropical (essentiellement les barrages de Petit Saut en Guyane Française, et Nam Theun 2, au Laos), ainsi que sur des expériences en conditions contrôlées (laboratoire). Plus précisément, les travaux initiés en 2012 sur le barrage de Petit Saut portent sur l’étude des cycles du carbone et de l’azote et des émissions gaz à effet de serre associées. Il s’agit de notamment de 1/ quantifier et caractériser les sources de carbone entrant, transitant et exporté par le barrage, d’évaluer la sédimentation de carbone organique dans le réservoir, 2/ caractériser les sols quinze ans après la mise en eau du barrage, et évaluer la production de CO2 et de CH4 au fond de la retenue 3/ étudier plus précisément les cycles du carbone et de l’azote et les émissions de CO2, CH4 et N2O dans la zone littorale (profondeur < 10 m), 4/ étudier les émissions de N2O en aval du barrage. Il s’agira enfin de formaliser les processus menant au développement de modules biogéochimiques liant les processus de production de GES et les émissions de ces gaz, relations empiriques qui pourront ensuite être intégrées dans des modèles couplés hydrodynamique - biogéochimie.

Axe 2 - Evolution de la composition chimique de l’atmosphère :

Trois questionnements majeurs au sein de cette thématique : pollution/impact radiatif et climatique et pollution/santé. Pour y répondre, une méthodologie expérimentale et de modélisation a été mise en place. Elle combine mesures in situ moyen et long terme (Chine, Pic du Midi, Corse, Afrique), analyses chimiques en laboratoire, mesures satellite à haute résolution spatiale et modélisation multiéchelle (RegCM4, TM5). Cette base méthodologique est enrichie régulièrement par des développements (e.g. mesures d’aérosol carboné, mesures et analyses de VOC et WSOC, évolution du module d’aérosol).

Sur la thématique Pollution/Mégacités/Santé, trois programmes sont en cours: deux en Afrique (Ouest et Centrale et du sud) et un en Chine avec des mesures moyen terme sur différents types de sources. Associé à l’outil modélisation, l’outil satellite est utilisé pour des estimations de qualité de l’air à échelle régionale.

Sur la thématique Qualité de l’Air et Changement Climatique, les études long-terme à partir des mesures-réseau des sites IDAF représentatifs des écosystèmes africains non perturbés, se poursuivent avec deux thèmes: analyse spatio-temporelle et caractérisation chimique des aérosols, analyse des tendances interannuelles et saisonnières des concentrations de gaz et modélisations associées. Les actions de mesures au Pic du Midi (débutées en 2003, à ce jour intégrées au sein du SOERE ORAURE) permettent de quantifier les rétroactions et impacts des aérosols et des gaz à l’échelle de la décade sur le climat de l’Europe de l’Ouest en lien avec l'évolution des polluants au sein des masses d’air. L’observatoire d’Ersa (Haute-Corse) soutenu dans le cadre du projet CORSICA auquel nous contribuons permettra d’observer le transport des aérosols (terrigènes ou anthropiques) sur le bassin occidental de la Méditerranée afin d’en étudier l’impact climatique (cf. axe 4).

Axe 3 - Dépôts 

Les processus de dépôts constituent la dernière étape du cycle biogéochimique de tout composés atmosphériques. L’étude des processus et des mécanismes des dépôts secs (gaz et particule) et humides (précipitation) ainsi que la caractérisation et la quantification des flux associés est un des objectif scientifique de l’équipe EDI. Dans ce contexte, notre équipe possède une expertise dans la mesure des dépôts référencés dans les activités internationales GAW WMO et développe des modules chimie/dépôt pour des modélisations à l’échelle régionale des écosystèmes en zone tropicales.

Ce thème s’appuie principalement sur l’activité du Service d’Observation IDAF(IGAC/DEBITS/AFrique) (INSU/CNRS), composante Afrique du programme international DEBITS (DEposition of Biogeochemically ImportantTrace Species). Le réseau de mesure, opérationnel depuis 1995 comprend 9 stations représentatives des grands écosystèmes africains. Les mesures IDAF à long terme de qualité contrôlée (label OMM) (http://www.idaf.sedoo.fr) permettent de mesurer et d’analyser les tendances hebdomadaires, saisonnières et interannuelles des concentrations atmosphériques de gaz, et de la composition chimique des pluies et des aérosols à l’échelle régionale et continentale. Ces mesures améliorent nos connaissances sur les cycles biogéochimiques atmosphériques et leur impact et sont utilisées pour valider et mieux contraindre les bilans d’espèces modélisées à l’échelle régionale des écosystèmes (transects savane sèche, humide et forêt) (cf. axe 2). En parallèle, des travaux spécifiques de développement de module de dépôts secs sont en cours en relation avec les facteurs climatiques, les inventaires d’émission et les pressions anthropiques. IDAF contribue à différents programmes internationaux et nationaux IGAC, WMO/GAW, EADN, SOERE ORAURE.

Dans ce contexte, notre équipe conduit des études spécifiques sur le cycle biogéochimique des principaux composés azotés réactifs gazeux sur des écosystèmes tropicaux en Afrique sur la base de son expertise en métrologie et modélisation des émissions et des dépôts atmosphériques afin d’établir des bilans en considérant la relation émission–dépôt-processus dans le sol : (1) développement d’un module d’émission de NO (voir axe 1), de module de dépôt sec en lien avec l’adaptation de paramètres bioclimatiques spécifiques des écosystèmes tropicaux et (2) mesures des émissions et des dépôts d’azote (projet NH3 Sahel, SO IDAF). Ces études s’inscrivent dans le cadre du programme INI (International Nitrogen Initiative) et sont réalisés en collaboration avec d’autres laboratoires (GET, INRA, ECCOLAB).

Axe 4 – Impacts

Impact radiatif de l’aérosol et des gaz

Les principaux objectifs sont d'étudier la modification du bilan radiatif (effet radiatif direct et semi-direct) par les aérosols et les gaz sur le système « Terre-Atmosphère ». Dans ce cadre, le modèle de climat régional RegCM4 (résolution horizontal : 15-50km, collab. ICTP) est utilisé sur des régions spécifiques (e.g. Afrique, Méditerranée) et évalué à l'aide d'observations in-situ et de données satellitaires. A l'échelle locale et au travers d’une collaboration avec le LOA, l'effet radiatif direct des particules est aussi estimé à l'aide du code de transfert radiatif GAME, permettant notamment de prendre en compte l'effet de diffusion des particules dans l'infrarouge thermique. Actuellement et dans le cadre du projet CHARMEX et de l'ANR-ADRIMED, l'un des objectifs est d'étudier l'influence des aérosols et des gaz (collab. équipe O3P/LA) sur le bilan d'énergie à la surface marine, susceptible de modifier le cycle hydrologique (collab. CNRM) de cette région (cf axe 4-2).

Impact climatique régional de l’aérosol 

Ce volet concerne l’étude des interactions chimie/aérosol/climat abordées sous l’angle de la modélisation. De nouveau, le modèle RegCM4 (collab. ICTP) est utilisé pour caractériser l'impact climatique régional de deux grands types d’aérosols :

Poussières désertiques.Les résultats obtenus ont concerné l’impact moyen des poussières et sa variabilité intra-saisonnière (développement de la mousson, onde d’Est, persistance des périodes de sècheresse …) en Afrique de l’Ouest. L’application du modèle est actuellement en cours pour l’étude de l’effet radiatif des poussières du nord-Sahara sur le climat et le cycle hydrologique du bassin méditerranéen (cadre ChArMEx/HyMEx, collab. CNRM).

Aérosols anthropiques (Feux de biomasse et mégacités). De nombreuses incertitudes existent encore sur l’évaluation de leur possible impact climatique, notamment à l’échelle régionale. Nous contribuons à les réduire : (i) en étudiant les impacts des effets radiatifs directs et semi-directs des aérosols sur les bilans d’énergie (surface-troposphère) , la dynamique atmosphérique régionale et les précipitations pour les différents scénarios d’émission développés dans l’axe 1. (ii) en caractérisant l'importance de ces impacts par rapport à la variabilité climatique régionale:

Impact sur la santé 

Deux thématiques sont présentes dans cet axe dont un des objectifs est le développement de cartes de risques sanitaires pour les maladies respiratoires liées à la pollution atmosphérique et les maladies à vecteur et infectieuses.

1) Quels sont les effets de la pollution de l’air sur la santé ? Peut-on relier ces effets à des espèces chimiques, et donc à des sources spécifiques ? Quelle est la projection dans l’avenir de cette relation entre pollution de l’air et risques sanitaires ?

Les pays émergents ou en voie de développement en Afrique et en Asie sont caractérisés par des atmosphères 5 à 10 fois plus polluées que celles des pays déjà industrialisés. Cette pollution est dominée par les particules fines et ultrafines. La méthodologie pluridisciplinaire développée dans l’équipe est bâtie selon une chaîne intégrée comportant:

  • émissions (incluant des scénarios futurs d’émission (cf. axe 1)
  • mesures in situ des polluants (réseaux, sites) incluant le potentiel oxydant (mesures DTT) des particules et expositions des populations (air intérieur et extérieur).
  • mesures satellite à haute résolution
  • effets sanitaires associés avec des collaborations en toxicologie pour l’étude du stress oxydant des polluants et en épidémiologie pour l’étude sanitaire de sous groupe de population et les entrées à hôpital pour affections respiratoires.
  • évaluation des risques (à partir de fonctions dose-réponse de nature toxicologique et épidémiologique).

Cette chaîne est appliquée en Afrique de l’Ouest (AMMA2) et du sud (GDRI-ARSAIO) et en Asie (Chine, EPARSE-C). Elle combine mesures et modélisation avec le modèle RegCM4 incluant le module d’aérosols ORISAM et le module DEPCLUNG de dépôt et clairance dans les poumons, elle permet l’évaluation des risques pour différentes sources d’émission.

2) La deuxième action dans l’équipe porte sur l’étude satellitale des maladies infectieuses et à vecteurs. Il s’agit de produire un système d’alerte précoce (cartes de risques), à partir de modélisation et de données satellite caractérisant les facteurs environnementaux pertinents quant aux mécanismes de transmission et de prolifération mis en évidence en amont.

Nom Prénom statut Activité
LIOUSSE Cathy DR CNRS Responsable d’équipe
DELON Claire CR CNRS 100 %
GALY-LACAUX Corine IR CNRS 100 %
GARDRAT Eric IE OMP 100 %
GRANIER Claire DR CNRS 100 %
GUINOT Benjamin CR CNRS 100 %
LEON Jean-François CR CNRS 100 %
PONT Véronique MC UPS 100 %
ROBLOU Laurent IE CNRS 50 %
SERCA Dominique MC UPS 100 %
SOLMON Fabien Ph. Ad. CNAP 100%

SNO-INDAAF

Le service d’observation IDAF(IGAC/DEBITS/AFrique) labellisé SO/ORE par INSU/CNRS, opérationnel depuis 1995, a pour objectif d’étudier l’évolution de la composition chimique de l’atmosphère et des dépôts en Afrique (contact: Corinne Galy-Lacaux et C. Liousse, http://www.idaf.sedoo.fr)

ChArMEx (The Chemistry Aerosol Mediterranean Experiment) - MISTRALS (Mediterranean Integrated STudies at Regional And Local Scales) (INSU).

Notre équipe coordonne les études réalisées sur l’impact radiatif (contact LA : M. Mallet) et sur les émissions (Contact LA : C. Liousse).

ANR ADRIMED, Impact du forçage radiatif direct des aérosols sur le climat Méditerranéen.

contact LA : M. Mallet

CORSiCA

« Centre d’Observation Régional pour la Surveillance du Climat et de l’environnement Atmosphérique et océanographique en Méditerranée occidentale » est un observatoire atmosphérique implanté en Corse. Il s'agit d'une plate-forme instrumentale multi sites de mesures dédiées aux études atmosphériques et océanographiques en Corse dans le cadre du « chantier Méditerranée » dénommé « MISTRALS » (Mediterranean Integrated STudies at Regional And Local Scales) et plus particulièrement dans le cadre des programmes  HyMeX et ChArMEx, http://www2.obs-mip.fr/corsica (contact LA: D. Lambert)

AMMA2

Analyses Multidisciplinaires de la Mousson Africaine (INSU, IRD) : programme international qui étudie la mousson ouest-africaine, sa variabilité et ses liens avec les aspects socio-économiques. Notre équipe coordonne les études réalisées sur l’impact de la pollution des mégacités ouest africaines sur la santé des populations (contact LA : C. Liousse).

GDRI ARSAIO (CNRS, NRF)

Groupement de recherche international « Atmospheric Research in Southern Africa and the Indian Ocean ». Dans le cadre de ce réseau de recherche, notre équipe coordonne les études sur l’impact de la pollution anthropique d’Afrique du sud sur le climat et la santé (contact LA : C. Liousse).

GES-barrages

Projets menés en Guyane Française (Petit Saut) et au Laos (Nam Theun 2) dans l’optique d’évaluer les émissions de gaz à effet de serre liées à la mise en place et au fonctionnement de barrages hydroélectriques. Projets financés par EDF-CIH (contact LA: Dominique Serça)

SOERE ATMO

(Observations en Réseaux des Aérosols à Usage de Recherches Environnementales – labellisation INSU) ORAURE a vocation à coordonner les mesures systématiques effectuées par la communauté scientifique française, tout en s’interfaçant avec les observations à l’échelle européenne combinées aux observations spatiales (contact LA –Aérosols Pic du Midi : Véronique Pont)

NH3-Sahel (LEFE-INSU)

L’objectif général de cette étude mesures/modélisation est de décrire le cycle de l’azote réactif en milieu Sahélien (Ferlo, Sénégal), à partir des processus de formation dans le sol dus à la dégradation de la matière organique (MO), de l’émission vers l’atmosphère, du dépôt sec et humide, et du bilan des espèces azotées réactives dans l’atmosphère (contact LA : C. Delon)

PNTS / Pollution urbaine à partir de données multitemporelles FORMOSAT.

Applications aux capitales africaines.

Ce projet a pour but de développer une méthodologie d’observation de l’épaisseur optique en aérosols au-dessus des mégalopoles à partir d’imagerie satellite à haute résolution et pour cette première phase sur la ville de Dakar (contact LA : J.F. Léon)

CEFIPRA/ Air Pollution monitoring

Ce projet a pour but le développement d’une méthodologie de quantification temps réelle de la masse des particules à partir de la mesure LIDAR en rétrodiffusion. Ce projet est une collaboration entre le laboratoire, la société Leosphere et l’indian Institute of Technology de Bombay (contact LA : J.F. Léon)

EPARSE-C

(Exposition à la Pollution de l’Air par les particules et Réponses Sanitaires des Ecoliers en Chine). Suivi inter-saisonnier de la composition chimique des aérosols et des effets sanitaires dans les écoles françaises en Chine : Pékin et Shanghai dès 2013, Wuhan, Canton, Hong Kong à suivre. Financements : CNRS-NSFC, AEFE, fonds privés. Contact : Benjamin GUINOT  benjamin.guinot@aaero.obs-mip.fr.

PHASE

(Public Health Adaptation Strategies of Extreme weather events) DG SANCO (CE) 

Participation au programme européen sur la partie : impact des feux sur la santé (Contact LA : C. Liousse)

Nationaux:

  • ADEME
  • Centre National des Etudes Spatiales (CNES)
  • Centre National de la Recherche Méteorologique (Meteo-France)
  • CEREA
  • CERFACS
  • ECOLAB
  • EDF-CIH
  • EPAR (UPMC/INSERM)
  • GET
  • Hôpital Larrey, Toulouse
  • Hydreco, Guyane
  • INERIS
  • INRA-EGC
  • Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques (Paris)
  • Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (Paris)
  • Laboratoire de Météorologie Physique (Université Blaise Pascal)
  • LACY
  • LAMP
  • LGGE
  • LEPII-EPE
  • LOA
  • Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE)
  • ONERA
  • RMCX, Université Denis Diderot
  • Université d'Aix−Marseille

Internationaux

Europe :

  • JRC Ispra
  • ICTP Trieste, KNMI (Pays Bas)
  • TNO (Pays Bas)
  • Université de Leeds (Royaume Uni)
  • Université UPSAL, Suède.

Amérique du Nord

  • NASA Goddard, NCAR (États-Unis)
  • Université de Harvard (États-Unis)
  • Dalhousie University (Canada)
  • Université du Colorado (États-Unis)
  • University of Illinois (Etats-Unis)
  • University of Iowa (Etats-Unis)
  • University of Michigan (Etats-Unis)
  • UQAM (Montréal)
  • Environnement Illimité (Montréal).

Afrique

  • Université Bamako, Mali
  • LAPA Université de Cocody, Côte d’Ivoire
  • North West University, SASOL, Afrique du Sud
  • CRH Cameroun
  • UCAD Université Cheick Anta Diop de Dakar
  • Université de Cotonou et ISBA, Bénin
  • Université de Niamey
  • Nigerian Meteorology Agency, Abuja, Nigeria
  • Institut Pasteur Côte d’Ivoire
  • CSRS Côte d’Ivoire
  • Institut des Sciences de l’Environnement (ISE), UCAD, Dakar.

Asie

  • Chine : Institute of Earth Environmnent, Chinese Academy of Sciences, Xi’an ; School of Public Health, Fudan University, Shanghai.
  • Inde : Indian Institute of Technology of Bombay, Mumbai ; Indian Institute of Science Education and Research, Mohali.
  • Laos: Aquatic and Environment Laboratory, Nakai.
  • Vietnam: Vietnamese Academy of Science and Technology (VAST); National Institute for Hygiene and Epidemiology (NIHE), Hanoi; Université des Sciences et Techniques d’Hanoi (USTH), Hanoi.
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