L'origine des particules en Île-de-France

Index de la série “Pollution de l’air”

1. La pollution de l'air cause 48 000 morts par an en France (+ présentation des polluants)
2. La pollution aux particules fines
3. Les graves effets des particules sur la santé
4. La pollution de l’air dans le monde
5. La pollution de l’air en Europe I (+ les morts du charbon)
6. La pollution de l’air en Europe II
7. La pollution de l’air en France
8. Le très polluant chauffage au bois
9. Le choix erroné de la France pour le diesel (mais le diesel a évolué…)
10. Arrêtons avec les “centrales à charbon allemandes”…
11. La pollution de l’air en Île-de-France (hors particules)
12. La pollution aux particules en Île-de-France
13. L’origine des particules en Île-de-France
14. Les épisodes de pollution aux particules en Île-de-France
15. Qualité de l’air en Île-de-France et épisodes de pollution récents
16. La pollution dans le métro
17. La pollution de l’air à la maison
18. Suivi en direct de la pollution
19. Quelques suggestions…
20. Documents
21. Synthèse de la série Pollution de l’air

L’origine des particules en Île-de-France

Airparif a réalisé une intéressante étude en 2011 sur l'origine des particules dans la région. Il en ressort ceci – sachant que la pollution a pas mal baissé depuis lors, et que la méthodologie surestime un peu la part des importations.

Part importée des particules fines PM_2.5

En moyenne annuelle, près des axes routiers (ou vivent un tiers des franciliens), la pollution aux particules fines PM_2.5 est constituée à 60 % de sources locales, et à 40 % de sources en provenance des autres régions ou pays :

Loin des axes routiers (ou vivent les deux tiers des franciliens), la pollution (qui est du coup nettement inférieure, attention : on retrouve le même total que précédemment sans le trafic) est constituée à environ 30 % de sources locales (qui en masse représentent évidemment autant que la part locale des mesures proches des axes routiers…), et à 70 % de sources en provenance des autres régions ou d’autres pays.

Marqueurs

Rappelons que parmi les PM_2.5, il existe des particules très nocives : les composés carbonés (carbone élémentaire – suie- et carbone organique), qui en représentent 65 % (en zone trafic).

Pour le seul carbone élémentaire (35 % des PM_2.5 en zone trafic), on a constaté que l'import ne représentait que 5 % des émissions, et que 90 % du carbone élémentaire venait des gaz d'échappement.

Ainsi, pour l’analyse, le carbone élémentaire est un bon marqueur de la pollution issue du trafic local et du fond urbain.

A contrario, on constate que les sulfates non marins (nss-So₄) sont importés à 90 % : c’est donc un bon marqueur de la pollution importée.

Composition détaillée des PM_2.5

Pour plus de détails, voici la compostions détaillée par origine :

EC : Carbone élémentaire (suies) ; MOP : Matière Organique Particulaire ; nss-SO₄ : sulfates non marins ; NO_3- : Nitrates ; NH₄₊ : Ammonium

Les espèces carbonées (EC et MOP) représentent donc 90 % de la contribution du trafic local et 65 % de la contribution urbaine.

Si le Carbone élémentaire est surtout d'origine humaine (il est issu de toutes les combustions), la Matière Organique Particulaire peut être d'origine humaine (combustions incomplètes) ou constituée de particules biogéniques primaires, telles que des spores ou des pollens. Elle peut comporter une grande variété de familles organiques (hydrocarbures aliphatiques, esters, alcools, cétones, aldéhydes, acides, HAP, PCB…), dont certaines sont très toxiques.

Rappelons qu’il existe un lien significatif entre le carbone élémentaire et les troubles cardiovasculaires pouvant entraîner l'hospitalisation ou le décès. Le sulfate est également associé à des risques de troubles respiratoire ou cardiovasculaire, avec une significativité plus fréquente en période hivernale. Le carbone organique a également été cité pour son impact significatif sur les pathologies cardiovasculaires – mais vu sa complexité, cela dépend évidemment de sa composition.

Il faut enfin noter une chose importante : le carbone élémentaire est une espèce primaire : il est émis par les pots d’échappement, il se retrouve dans l’air ; si on en réduit l’émission, sa concentration baisse d’autant. En revanche, beaucoup d’autres espèces sont secondaire, issues de réactions chimiques très complexes et interdépendantes ; ainsi, on ne peut pas dire quel sera par exemple l'impact d'une diminution de NO₂ sur les niveaux de particules mesurés dans le centre urbain de Paris.

Voici les évolutions saisonnières de la composition :

EC : Carbone élémentaire (suies) ; MOP : Matière Organique Particulaire ; nss-SO₄ : sulfates non marins ; NO_3- : Nitrates ; NH₄₊ : Ammonium

On constate sans surprise que l’import et le fond urbain augmentent en hiver (chauffage, conditions météorologiques…) et que le trafic augmente en été. Mais au final il n’y a pas un grand écart.

Composition détaillée des PM₁₀

Voici la composition des particules PM₁₀ :

EC : Carbone élémentaire (suies) ; OM : Matière Organique ; nss-SO₄ : sulfates non marins ; NO_3- : Nitrates ; NH₄₊ : Ammonium

Dans la mesure où les PM_2.5 représentent environ 70 % des PM₁₀, la répartition des espèces chimiques est assez similaire pour les deux classes granulométriques de particules.

La principale différence est due aux sels de mer (import et salage l’hiver) et aux poussières minérales, qui se trouvent principalement dans la fraction grossière (entre 2,5 et 10 μm). La remise en suspension et les phénomènes d'abrasion (freins, pneumatiques, revêtements routiers) sont donc responsables au minimum de 2,3 μg/m³ de la concentration moyenne annuelle de PM₁₀ mesurée sur le site trafic.

Évolution quotidienne en PM₁₀ et dépassements

Voici l’évolution quotidienne des PM₁₀ en 2009-2010, soumise à une limite quotidienne de 50 µg/m³ :

(Contrairement aux PM_2.5, les mesures d’AirParif ne permettent pas ici de séparer le fond urbain de l’import de PM₁₀)

La contribution du fond est donc très importante, et est même parfois suffisante pour dépasser les 50 μg/m³ à elle-seule, ce qui est arrivé 21 fois durant l’étude ; mais elle représente aussi 20 % de l'année la moitié des niveaux nécessaires pour réaliser un dépassement des 50 μg/m³.

Si les dépassements en PM₁₀ le long du trafic sont répartis tout au long de l'année, on observe que les dépassements les plus intenses ont principalement lieu en hiver et au printemps :

Six épisodes de dépassement particulaires marqués ressortent spécifiquement entre décembre 2009 et avril 2010 ; ils correspondent à des épisodes anticycloniques persistants sur quelques jours caractérisés par des vents de nord-est (comme pour la plupart des épisodes) ou sud-est. 

A contrario, les longues périodes sous régime de vent océanique de secteur nord-ouest à sud-ouest se caractérisent par des niveaux homogènes de particules en dessous du seuil des 50 μg/m³.

Analysons plus en détail l’évolution des PM_2.5, composant majoritaire des PM₁₀, pour lesquelles on dispose de plus de données.

Évolution quotidienne en PM_2.5 et dépassements

Voici l’évolution quotidienne des PM_2.5 en 2009-2010 :

Nb : 40 jours n’ont pu être mesurés

Détail pour le carbone élémentaire (marqueur du trafic local) et pour les sulfates (marqueur de l’import) :

Détail pour chaque contribution aux PM_2.5 :

On observe que la contribution du trafic local en PM_2.5 est de l'ordre de 11 μg/m³ tout au long de l'année et ne présente pas de variations annuelles marquées. Aucun pic intense n'est observé au cours de l'année, la contribution du trafic local en PM_2.5 n'est jamais responsable à elle-seule d'un dépassement du 50 μg/m³ en PM₁₀. La contribution du trafic local étant un plus variable dans les PM10 que dans les PM2.5, cela signifie sans surprise que la variabilité est surtout due aux particules grossières (entre 2.5 et 10 µg), qui sont surtout des sels et des poussières, plus dépendantes de la météo.

En moyenne, la contribution urbaine aux niveaux de PM_2.5 est de 4 μg/m³. Elle varie plus dans le temps, mais n'excède pas 25 μg/m³ au cours de la campagne et est inférieure à 10 μg/m³ pendant 90 % du temps. Les rares fluctuations observées sont généralement liées à des situations météorologiques peu dispersives, avec moins de 3 m/s de vent en moyenne sur la journée – mais la réciproque n'est pas vraie : toutes les journées peu dispersives ne s'accompagnent pas de fortes contributions urbaines :

La contribution de l'import aux niveaux de PM_2.5 s'élève en moyenne à 10 μg/m³ sur l'année soit environ les deux-tiers de la contribution du fond. Elle montre une très forte variabilité : l'import de PM_2.5 sur l'Île-de-France peut, dans certaines situations météorologiques, excéder les 50 μg/m³ – soit à lui seul le niveau limite pour toutes les PM₁₀ !

On peut donc mieux comprendre les variations des PM₁₀ et les dépassements :

Le rôle des vents

Si on représente la concentration moyenne sur une rose des vents, on a ceci :

Sans surprise, c’est l’import (en vert à droite) qui est le plus impacté.

Analysons : la tâche verte montre que la contribution de l'import est sensiblement plus importante lorsque le vent vient du nord/nord-est (partie pointant vers “13 heures” sur le cadran à droite), ce qui correspond à un import de masses d'air continentales en provenance des fortes zones d'émissions en Europe (Europe du nord et de l'est).

Il est également important par vents de sud-est (partie pointant vers “16 heures” sur le cadran à droite). Cette zone pourrait représenter un import de masses d'air d'origine continentale étant passées au-dessus des régions au sud de l'Île-de-France (Rhône-Alpes, région Provence Alpes Côte d'Azur…) en provenance d'Europe du sud ou centrale.

On l’observe sur les sulfates :

La plupart viennent bien du Nord-est. Une part importante de ces sulfates est due aux centrales à charbon d’Allemagne et de Pologne.

Mais il faut relativiser : cela ne représente au pire que 3,5 µg sur 20 µg : 80 % à 90 % de la pollution en provenance du Nord-Est n’est pas liée à des centrales à charbon…

ATTENTION cependant : cette analyse donne une quantité moyenne suivant la direction du vent ; il faut donc ensuite pondérer par la fréquence des directions du vent. On a donc ces données :

On voit donc que le vent souffle surtout du sud-ouest, les deux secteurs de vent dominants que connaît la région :

• sud-ouest en régime océanique ;
• nord-est lors des périodes anticycloniques où les hautes pressions sont situées sur la France, le proche Atlantique ou les îles britanniques.

On peut donc calculer l’apport moyen suivant le sens du vent :

Message personnel : ceci a été très compliqué à faire, ce serait bien qu’AirParif réalise et actualise ce schéma, disposant des données détaillées

On voit donc qu’il y a une sur-représentation de la pollution venue du Nord-Nord-Est, c’est-à-dire des zones polluées d’Angleterre, d’Allemagne ou de Pologne, par vent du Nord-Est (rappelons bien que les centrales à charbon y jouent un rôle négligeable). Soulignons aussi qu’en fait, la plupart du temps, le vent est du Sud-Ouest, ramenant la pollution d’Aquitaine ou du centre de la France vers Paris, et contribuant à polluer Belgique et Allemagne. Le problème a aussi une composante nationale et européenne.

En conclusion, il ressort qu’environ la moitié de la pollution aux particules en Île-de-France est importée d’autres régions, voire pays.

Et qu’il y a une claire surreprésentation de la pollution venue du Nord-Est et un peu dans le Sud / Sud-Ouest (vents dominants).

Mais on retrouve en fait une chose évidente : oui, il y a de la pollution qui vient régulièrement du nord-est quand le vend vient du nord-est et passe au dessus de zones très polluées en Europe centrale…

Si le Nord-Est avait une concentration moyenne en polluants, la pollution importée serait inférieure d’environ un quart à un tiers, soit environ 2 à 3 µg/m³. 

Cette “sur-pollution” venue du Nord-est représente donc une part importante pour une pollution de fond totale de 14 µg, et un objectif OMS de 10 µg, et une cible ultime plus basse encore.

Mais il faut aussi la relativiser, sachant d’abord que les calculs d’AirParif la surestiment un peu, mais aussi qu’elle ne représente finalement environ que 10 % de la pollution totale ; et que les suies noires les plus dangereuses, ne sont pas importées.

Enfin, n’oublions pas non plus que Paris pollue aussi en retour les autres régions et pays, surtout le Nord-est lors des fréquents vents du Sud-ouest – ce qui n’est pas mesuré par AirParif…

Contributions des différentes sources aux concentrations en PM_2.5

Toutes origines

Voici une estimation des sources de particules fines sur le site trafic d'Auteuil, où, comme on l’a vu, environ 40 % des PM_2.5 sont d'origine extérieure à la région tandis que 61 % sont produites localement par l'impact direct de l'axe routier et par le fond urbain :

On constate :

• que 50 % de la concentration en PM_2.5 à proximité du boulevard périphérique d'Auteuil (tous secteurs) est due au trafic routier – et en particulier à l'échappement ;
• que 26 % de la concentration est due à des composés inorganiques secondaires, qui sont majoritairement d'origine extérieure à l'agglomération parisienne. Les composés chimiques (nitrate, sulfate et ammonium) qui les composent proviennent de différentes sources. Les précurseurs de ces composés, en ce qui concerne le principal composé inorganique secondaire qui est le nitrate d'ammonium, sont émis majoritairement par l'agriculture et le trafic routier ;
• que 13 % de la concentration est due à la combustion dans les secteurs résidentiel et tertiaire, principalement à cause du chauffage au bois.

Sources locales

Si on enlève l’impact des importations, on a les sources qui représentent la contribution francilienne sur laquelle des actions locales peuvent être entreprises :

Avec 52 % des PM_2.5 produites, on constate clairement l'impact prédominant de l’échappement du trafic routier sur la production locale de particules fines en zone trafic.

Fond urbain

La contribution du site urbain représente 17 % de la concentration en PM_2.5 en zone trafic et 30 % loin du trafic. En voici les sources :

On observe 3 principale sources, pour un quart à chaque fois : le trafic, les composés inorganiques secondaires et le chauffage au bois, ainsi que, dans une moindre mesure, l'industrie.

Ces différentes contributions de PM_2.5 varient significativement entre l'été et l'hiver (en répartition comme en masse totale : + 50 % en hiver) :

Ceci s’explique par un quadruplement des émissions dues au chauffage au bois (qui représentent alors près de 30 % de particules fines du fond urbain – les autres sources de chauffage couvrant pourtant 95 % des besoins n'émettant que 4 % des particules fines du fond urbain) et au doublement des composés inorganiques secondaires – qui ont la particularité physique de voir leur phase gazeuse augmenter avec l'augmentation des températures tandis la phase particulaire diminue.

Particules importées

Intéressons-nous ici aux sources des particules importées :

Les composés inorganiques secondaires constituent la contribution majoritaire aux PM_2.5 importées dans l'agglomération avec presque 50 % de la concentration moyenne annuelle de l'import (5 μg/m³ sur une concentration totale de 10 μg/m³). Elles représentent ainsi à elles-seules le niveau d’un probable futur objectif de santé publique pour toutes les PM_2.5.

L'ammoniac gazeux émis par l'agriculture participe significativement aux concentrations de nitrate d'ammonium et de sulfate d'ammonium présents sous forme particulaire. Les nitrates sont principalement issus des zones urbaines et plus particulièrement du trafic tandis que les sulfates sont émis par l'industrie. Néanmoins, l'impact de ces sources sur la part inorganique secondaire des PM_2.5 ne peut pas être évalué quantitativement car les processus de formation de ces composés sont très complexes (et non linéaires).

On note également la forte part du chauffage résidentiel.

Carbone élémentaire

Terminons par ce graphique sur les sources du très dangereux carbone élémentaire (les suies) :

Le carbone élémentaire représente environ 30 % de la concentration annuelle moyenne des PM_2.5 déterminée sur le site trafic. 95 % de ce composé est produit localement par le trafic local et le fond urbain et environ 90 % du carbone élémentaire est issu de l'échappement.

Sur un site éloigné du trafic, le carbone élémentaire représente encore 11 % de la concentration des particules fines, venant aux deux tiers du trafic.

Synthèse sur les sources

Le trafic routier contribue à presque 50 % aux concentrations de PM_2.5 sur le site trafic et représente 12 μg/m³ .

Les véhicules diesel représentent la principale source de PM_2.5 émises par le secteur trafic puisqu'ils sont responsables d'environ 90 % des particules émises par le trafic à l'échappement.

Le chauffage résidentiel et plus particulièrement le chauffage au bois représente environ 14 % des concentrations de particules fines mesurées sur le site trafic, un tiers de cette contribution étant francilienne et deux tiers de cette contribution ayant une origine externe à l'Île-de-France.

Les composés inorganiques secondaires représentent 26 % des niveaux de particules fines sur le site trafic. Les précurseurs de ces composés, en ce qui concerne le principal composé inorganique secondaire qui est le nitrate d'ammonium, sont émis majoritairement par l'agriculture et le trafic routier. Ces composés sont issus à 76 % de l'import.

Voici également les résultats d’une étude de 2007 :

On peut résumer tout ceci en graphiques. D’abord les sources agrégées, pour l’impact du seul trafic local, des imports et du fond urbain :

On peut alors les cumuler, pour analyser la pollution de l’air en zone trafic et en zone hors trafic :

(cliquez pour agrandir ; les fractions importées sont en moucheté)

La même chose en pourcentages :

Et on peut recommencer en groupant tout ce qui est importé, afin de voir ce sur quoi on peut agir au niveau de la région :

et en pourcentage :

Enfin, on peut comparer la composition des PM₁₀ et des PM_2,5 :

en rappelant bien que les PM_2,5 représentent les deux-tiers des PM₁₀ :

Voici enfin un détail plus fin, issu d’une étude plus ancienne, qui a étudié la variation saisonnière :

On observe bien l’effet du chauffage en hiver et celui de l’été avec l’action du soleil sur les réactions chimiques générant les composés secondaires.

Résumé /Conclusion

Les particules, et tout particulièrement les particules fines PM_2.5, jouent un rôle majeur dans les effets sanitaires engendrés par la pollution atmosphérique.

En zone près du trafic, environ 60 % de la concentration annuelle de PM_2.5 est d'origine francilienne : près de 45 % est une conséquence de l'impact direct du trafic et 15 % provient de la pollution générale de l'agglomération parisienne (le fond urbain). C'est sur ces parts que des actions locales peuvent agir.

En moyenne annuelle, loin du trafic, l'origine des concentrations de particules PM_2.5 mesurées sur le site urbain de fond de Paris, provient à un tiers de sources localisées dans l'agglomération parisienne et deux tiers de sources extérieures à la région.

Les pistes d’actions pour améliorer les choses sont donc une lutte drastique :

• contre tous les véhicules diesel de générations antérieures à 2013 ; 
• contre le chauffage au bois, au moins quand ils n’ont pas un sévère contrôle des émissions de particules ;
• contre les précurseurs des composés inorganiques secondaires, dans les secteurs de l'agriculture, du trafic routier et de l'industrie ;
• contre ces même points dans les autres régions et pays européens, à commencer par l’Allemagne et la Pologne.

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