Brume particulaire sur l'est de la Pennsylvanie en hiver, vu de l'avion de la campagne HIVER. Crédit :Lyatt Jaeglé, Université de Washington
L'air aux États-Unis est beaucoup plus pur qu'il y a dix ans. Mais ces améliorations sont survenues principalement en été, la saison qui était l'enfant d'affiche pour les particules contenant de la brume qui causent l'asthme, cancer du poumon et autres maladies.
Une nouvelle étude menée par l'Université de Washington montre pourquoi les niveaux de pollution de l'air en hiver sont restés élevés, malgré des niveaux globalement plus faibles d'émissions nocives des centrales électriques et des véhicules tout au long de l'année.
« Depuis une dizaine d'années, les niveaux de pollution de l'air en été ont diminué rapidement, alors que les niveaux de pollution de l'air en hiver ne l'ont pas fait. La qualité de l'air en été est maintenant presque la même qu'en hiver dans l'est des États-Unis, " a déclaré l'auteur correspondant Viral Shah, qui a fait le travail dans le cadre de son doctorat UW en sciences de l'atmosphère. "Nous avons identifié les processus chimiques qui expliquent la différence saisonnière en réponse aux réductions d'émissions."
L'étude, publié la semaine du 23 juillet dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , montre que les particules suivent des chemins différents en hiver.
Les résultats proviennent de l'analyse des observations recueillies lors de l'enquête hivernale sur les transports de 2015, Campagne Emissions et Réactivité (HIVER). Au cours de cet effort dirigé par UW, les chercheurs ont passé six semaines en hiver à voler à travers des panaches de pollution au-dessus de New York, Baltimore, Cincinnati, Colomb, Pittsburgh, Washington, D.C., et le long des centrales électriques au charbon de la vallée de la rivière Ohio.
L'étude a été financée par la National Science Foundation, avec le soutien en nature de la NASA et de la National Oceanic and Atmospheric Administration.
Le dioxyde de soufre des centrales électriques (rouge) et les oxydes d'azote des centrales électriques et des voitures (bleu) suivent divers chemins pour former des particules dangereuses de sulfate et de nitrate. Le chemin polyphasique devient plus important en hiver, résultant en une réponse plus faible du sulfate et du nitrate aux réductions d'émissions. Crédit :Viral Shah, Université de Washington
Les particules qui forment le smog sont de différentes saveurs. Deux importants sont les sulfates, du dioxyde de soufre émis principalement par les centrales électriques au charbon, et les nitrates, créé à partir d'oxydes d'azote connus collectivement sous le nom de NOx. Les réglementations sur la qualité de l'air ont réduit le dioxyde de soufre aux États-Unis de 68 % entre 2007 et 2015, et NOx d'environ un tiers pendant cette période.
Les niveaux d'été de particules - lorsque les deux saveurs d'oxydes s'agglutinent dans des paquets aqueux de nitrates et de sulfates qui créent de beaux couchers de soleil mais nuisent à la santé humaine - ont chuté d'environ un tiers dans l'est des États-Unis pendant cette période. Mais les concentrations hivernales de particules n'ont diminué que de moitié, pour des raisons qui n'étaient pas claires.
"Les modèles de qualité de l'air que nous utilisons pour comprendre l'origine de la pollution de l'air fonctionnent assez bien en été, mais j'ai des problèmes en hiver. Avant cette étude, nous n'avons pas pu reproduire la composition particulaire observée en hiver, " a déclaré Lyatt Jaeglé, qui était le deuxième auteur de l'article et co-investigateur principal de la campagne sur le terrain. « Nous avons maintenant un meilleur outil pour déterminer quelle est la meilleure stratégie pour améliorer la qualité de l'air en hiver à l'échelle régionale dans l'est des États-Unis, et potentiellement d'autres endroits, comme l'Europe et l'Asie."
En été, une partie des NOx et du dioxyde de soufre émis reste en phase gazeuse et est zappée par la lumière du soleil ou déposée sur la terre, et le reste forme des particules sous forme de nitrates et de sulfates. Au fur et à mesure que les ingrédients primaires baissent, les niveaux de particules aussi.
Mais la nouvelle analyse montre que la chimie de l'air hivernal suit un chemin plus complexe. Avec moins de soleil et des températures plus froides, une plus grande partie de la chimie se produit dans la phase liquide, sur les surfaces des particules existantes ou des nuages de liquide et de glace. Dans cette phase, à mesure que les ingrédients primaires baissent, l'efficacité de la conversion du dioxyde de soufre en sulfate augmente, car plus d'oxydants sont disponibles. Et comme le sulfate descend, les particules deviennent moins acides, rendant les NOx plus facilement convertis en nitrates.
Donc, même si la réglementation sur la qualité de l'air a réduit les deux types d'émissions primaires, la quantité totale de particules nocives pour la santé humaine a diminué plus lentement.
L'étude s'est appuyée sur six semaines de mesures capturées lors de la campagne de terrain HIVER 2015 dans l'est des États-Unis. Crédit :National Science Foundation
"Ce n'est pas que les réductions ne fonctionnent pas. C'est juste que les réductions ont un effet d'annulation, et l'effet d'annulation a une force définie, " dit Shah, qui est maintenant chercheur postdoctoral à l'Université Harvard. "Nous devons faire de nouvelles réductions. Une fois que les réductions deviennent plus importantes que l'effet d'annulation, alors l'hiver commencera à se comporter plus comme l'été."
L'étude prédit qu'à moins que les réductions d'émissions dépassent les prévisions actuelles, la qualité de l'air en hiver ne continuera de s'améliorer que progressivement jusqu'en 2023 au moins. À ce rythme, il faudrait plusieurs années avant que les émissions n'atteignent des niveaux lorsque la pollution hivernale commencera à baisser plus rapidement.
"Cet article montre que la compréhension de la chimie atmosphérique sous-jacente qui convertit les polluants primaires en particules fines est essentielle pour calibrer nos attentes quant à ce que les réductions d'émissions permettront d'accomplir, et donc sur la manière d'optimiser les futures réductions d'émissions pour continuer à obtenir le « plus gros rapport qualité/prix » en termes de réduction des concentrations de particules fines, " a déclaré le troisième auteur Joel Thornton, qui était le chercheur principal de la campagne sur le terrain.
Les résultats suggèrent que davantage de réductions d'émissions, d'oxydes de soufre et d'azote, seront nécessaires pour améliorer la qualité de l'air en hiver dans l'est des États-Unis et dans d'autres climats froids.
"Cette recherche aide à expliquer pourquoi les contrôles des émissions pour réduire les substances polluantes de l'air, comme le sulfate et le nitrate, n'ont pas connu le succès escompté dans l'est des États-Unis en hiver, " a déclaré Sylvia Edgerton, directeur de programme à la Division des sciences atmosphériques et géospatiales de la NSF, qui a financé la recherche. "La campagne de terrain WINTER a produit un ensemble unique d'observations hivernales. Elles démontrent que les rétroactions chimiques pendant les mois d'hiver contrecarrent les réductions attendues de la pollution atmosphérique en raison de la réduction des émissions."
