La pollution atmosphérique et sa modélisation

Dans ce premier chapitre, notre objectif est de faire une analyse bibliographique sur la problématique de modélisation de la pollution atmosphérique. Pour une meilleure mise en situation, nous nous sommes référés aux divers ouvrages et articles y afférents et ce dans le but de répondre aux questions suivantes : quelles sont les études déjà menées et quels résultats obtenus ? Quelles perspectives nécessitant des chercheurs relèves ont été avancées ? Maîtrisons-nous l’approche récente de résolution tout en tenant compte l’historique du problème ? Pour répondre à ces questions, les deux sections qui suivent sont les fruits de notre travail de recherche. 

Pollution atmosphérique 

Définition et classes de polluants

La pollution de l’air ou pollution atmosphérique est une altération de la qualité de l’air caractérisée par des mesures de polluants physiques, chimiques ou biologiques présents dans l’air atmosphérique, et qui ont des conséquences préjudiciables à la santé humaine, aux êtres vivants, au climat, voire aux biens matériels. Un polluant est un corps d’origine anthropique ou non, à l’état solide, liquide ou gazeux, contenu dans l’atmosphère et qui ne fait pas partie de la composition normale de l’air ou qui y est présent en quantité anormale. Les principaux polluants atmosphériques se classent dans deux grandes familles bien distinctes : les polluants primaires (SO2, P S, NOx, COV, CO) et les polluants secondaires (O3). Les polluants primaires sont directement issus des sources de pollution alors que les polluants secondaires résultent des phénomènes de dispersion et de transformations photochimiques dans l’environnement. En hiver, la pollution atmosphérique est essentiellement due aux polluants primaires. En été, elle est beaucoup plus intense avec un mélange de polluants, différent de celui d’hiver. Les polluants secondaires dits photo-oxydants se forment par action du rayonnement solaire sur les polluants précurseurs que sont principalement le dioxyde d’azote (NO2) et les composés organiques volatils (COV ). Les polluants primaires et secondaires sont plus ou moins nuisibles à la santé humaine, selon leur concentration dans l’air, et à la sensibilité de l’individu.

Origine, principaux types et effets

La pollution atmosphérique n’est pas un phénomène récent. Son origine remonte à l’invention du feu : depuis toujours le chauffage au bois et au charbon est une source majeure de la pollution de l’air dans les espaces confinés. Cette pollution n’a cessé d’évoluer avec les progrès réalisés au cours de l’histoire et dès l’Antiquité, le développement de la métallurgie a conduit à des émissions de plomb dont des traces ont été retrouvées dans les calottes glaciaires (Hong et al. 1994). Toutefois, ce n’est que depuis la révolution industrielle du 19 ième siècle que l’industrialisation et l’urbanisation à outrance, accompagnées d’émissions non contrôlées de polluants gazeux et particulaires dans l’atmosphère, ont eu des répercussions préoccupantes sur la santé, l’environnement et le climat. Suivant un critère de toxicité, de spécificité de sources et de la pollution générée, les principaux polluants mesurés par les organismes de surveillance de la qualité de l’air sont les oxydes d’azote (NOx), le dioxyde de soufre (SO2), le monoxyde de carbone (CO), les particules en suspension (P S), le plomb (P b), les composés organiques volatils (COV ) et l’ozone (O3). Majoritairement, les impacts de la pollution se font ressentir dans les zones urbanisées et industrialisées. Ainsi dans le domaine de la santé, dès les années 30-50, les populations prennent conscience des effets nocifs de la pollution : en 1930 dans la vallée de la Meuse, puis en 1952, 1956 et 1957 à Londres, l’augmentation brutale des concentrations de dioxyde de soufre et de particules atmosphériques liée à des conditions météorologiques stagnantes et à l’utilisation effrénée des combustibles fossiles est à l’origine d’un fort excès de mortalité (plus de 4000 décès en 1952, Brimblecombe (1987)). Sur le plan environnemental, les premiers épisodes de pollutions photochimiques apparaissent vers les années 50 à Los Angeles (Haagen-Smit 1952 ; Haagen-Smit and Fox 1956) : en présence d’un fort ensoleillement, les émissions d’oxydes d’azote et de composés organiques volatiles générées essentiellement par le trafic automobile conduisent à la formation de polluants secondaires tels que l’ozone. Dans le domaine climatique et au cours des années 80, la pollution atmosphérique devient également une préoccupation à l’échelle régionale avec la reconnaissance de son impact sur les écosystèmes forestiers et les eaux de surface. L’acidification des pluies (pluies acides) liée à l’oxydation des polluants gazeux dans l’atmosphère tels que le dioxyde de soufre et les oxydes d’azote sont responsables de l’acidification des lacs et le dépérissement des forêts en Europe et en Amŕique du Nord. Même si des efforts importants en matière de réductions des émissions industrielles ont été réalisés depuis en Europe et aux Etats-Unis, permettant de limiter considérablement les rejets de polluants gazeux (tels que le dioxyde de soufre), les problèmes de pollutions restent toujours d’actualité, notamment avec la découverte récente des dangers sanitaires liés aux fines particules et aux métaux lourds. D’autre part, la pollution photochimique se régionalise, avec l’apparition d’épisodes extrêmes, comme celui qui a touché l’Europe en été 2003 en raison de conditions climatiques et de températures exceptionnelles. 

Modélisation 

Définitions

La modélisation est l’art ou la science, selon le point de vue, de représenter ou de transformer une réalité physique en des modèles abstraits accessibles à l’analyse et au calcul. C’est une approche de cognition, de construction et de projection qui relie la théorie et l’expérience.[7] Un modèle est une représentation simplifiée ou une interprétation d’un système ou de phénomène physique permettant de reproduire son fonctionnement, de l’analyser, l’expliquer et d’en prédire certains aspects. Le principe de base est de remplacer un système complexe en un objet ou un opérateur simple reproduisant les aspects ou comportement principaux de l’original. 

Types de modèles

D’une manière générale, on recense trois types de modèles : les modèles conceptuels, les modèles statistiques et les modèles déterministes. Le premier type sur lequel reposent les deux autres, statistiques et déterministes, consiste à énoncer d’une manière qualitative les phénomènes physico-chimiques qui sont les plus importants pour définir le processus étudié. Quant aux modèles statistiques, le principe de base est de relier différentes variables et les processus reliant ces variables sont représentés de manière implicite dans des équations statistiques. Comme intérêts, les modèles statistiques se fondent sur des mesures et sont ancrés dans la réalité. Par contre, ces modèles ne sont pas adaptés pour prédire des évolutions futures si les relations ne sont pas linéaires. Enfin les modèles déterministes visent à la formulation mathématique des phénomènes qualitativement identifiés dans le modèle conceptuel.

Utilisation de modèles

Nous utilisons des modèles pour comprendre le phénomène et le représenter d’une manière compréhensible. Les modèles de dispersion atmosphérique, autour desquels tourne la problématique du présent mémoire, sont des modèles physiques et numériques issus de l’équation d’advection-diffusion. Ils sont sont utilisés pour évaluer les impacts des sources de pollution atmosphérique, concevoir des réseaux d’échantillonnage, calculer des concentrations dans l’air ambiant, etc. Brièvement, ils permettent ainsi d’orienter les décisions et d’améliorer les processus de conception. 

Simulation informatique

La simulation informatique ou numérique désigne l’exécution d’un programme informatique sur un ordinateur en vue de simuler un phénomène physique réel et complexe (par exemple : une simulation informatique, sur une étendue de 48 heures, de l’évolution du typhon Mawar produite par le Modèle météorologique WRF). C’est donc le processus d’adaptation aux moyens numériques de la modélisation théorique permettant de calculer sur ordinateur les solutions des modèles, et qui sert à étudier le fonctionnement et les propriétés d’un système modélisé ainsi qu’à en prédire son évolution.