Pollution particulaire des mégapoles en Chine

aperçu des impacts climatiques et sanitaires

Journées Scientifiques de l’EnvironnementCréteil, 11 février 2009

Benjamin GUINOTLaboratoire d’Aérologie

CNRS-Toulouse III

Concentrations moyennes de particules fines (PM2.5) en 2002, données satellite MODIS (Van Donkelaar et al., 2007)

> 50 µg/m3

WHO

Chine: Une pollution atmosphérique marquée par les particules en suspension

10-15 µg/m3

0

50

100

150

20001

/03

02/0

3

03/0

3

04/0

3

05/0

3

06/0

3

07/0

3

08/0

3

09/0

3

10/0

3

11/0

3

12/0

3

01/0

4

02/0

4

03/0

4

04/0

4

05/0

4

06/0

4

07/0

4

08/0

4

PM10

, µg.

m-3

PékinParis

Concentration de particules dans l’air (PM10)

2003 2004

Paris

Pékin

PM10 x10 !

PARIS

CAIRO

10/09/2003

09/09/2003

12/09/2003

13/09/2003

BEIJING

Des pollutions différentes d’une mégapole à l’autre

Toutes les villes olympiques ont eu à gérer des problèmes de pollution majeurs

1964年东京奥运会(Tokyo)

1948年伦敦奥运会(London)

1976年蒙特利尔奥运会 (Mexico)

1984年洛杉矶Los Angeles

1988年汉城Seoul

1996年亚特兰大Atlanta

2000年悉尼Sydney

2004年雅典Athens

Xi’an

Beijing

Lanzhou

KachgarTaklamakan Desert

Tibetan Plateau

En Chine:

6000 km, 3 mois de vélo

Paris-Pékin à vélo, mai-novembre 2006

www.bicyclair.com

Shanxi, 20km au sud de Shuozhou, Nov. 2006

Gansu, 30km à l’ouestde Lanzhou, Oct. 2006

Hélène Cachier, Jean Sciare, Valérie Gros • LSCE, Gif-sur-Yvette Jean-Claude Roger • LaMP, Clermont-Ferrand

Yu Tong, Yu Jianhua, Wang Xin • Beijing EPB/Environ. Monitoring Center Liu Wenqing, Xie Pinhua, Wu Daxia, Liu Jianguo • AIOFM, CAS Hefei

Collaborateurs

Objectifs

Identifier les principales sources

Caractériser les processus de transformation des polluants

approche expérimentale

choix des sitesSources d’émissionMétéorologie (vents)

3 sites équipés

100 km

CoulométrieMéthodes thermique et thermo optique

pour BC et OC

Prélèvements sur filtres selon la taille des particules

Chromatographie ioniqueIons majeurs (sulfate, nitrate, ammonium,

potassium, organiques solubles)

Principe de la fermeture chimique en masse (Guinot et al., 2007)

Masse pesée = BC + OC + ions + n.d.

Poussières minérales

POM?

Matière organique

ions32%

n.d.46%

OC11%

BC4%

Ca2+

7%

Ce qui échappe àl’analyse

Dust?

approche expérimentale

choix des sitesSources d’émissionMétéorologie (vents)

différentes durées d’observationSuivi intersaisonnier (2 ans) Campagnes intensives (1 mois)Manips ponctuelles

suivi intersaisonnier (2 ans)

campagnes intensives (1 mois)

manips ponctuelles

50

100

150

200

01/0

3

02/0

3

03/0

3

04/0

3

05/0

3

06/0

3

07/0

3

08/0

3

09/0

3

10/0

3

11/0

3

12/0

3

01/0

4

02/0

4

03/0

4

04/0

4

05/0

4

06/0

4

07/0

4

08/0

4

PM10

, µg.

m-3PM

10, µ

g.m

-3

2003 2004

Chauffage ChauffagePoussières

PhotochimiePhotochimiePhotochimiePhotochimiePoussières

Influence des sources saisonnières ?

ions28%

Dust63%

n.d.2%

POM5%

BC2% POM

21%

BC7%

ions53%

Dust17%

n.d.2%

Particules fines (< 2,5 microns)

Particules grossières (< 2,5 microns)

Résultats annuels moyens (2003)

0

4

8

12

16

2001

/03

02/0

303

/03

04/0

305

/03

06/0

3

07/0

3

08/0

3

09/0

3

10/0

3

11/0

3

12/0

3

01/0

4

02/0

403

/04

04/0

4

05/0

4

06/0

4

07/0

4

08/0

4

Date, mm/aa

Calc

ium

gro

ssie

r, m

g.m-3

.m

0

1

2

3Calcium

fin, mg.m -3.m

Calcium finCalcium grossierCalcium fin

Zoom sur les poussières minérales, fines et grossières

Pékin20 janvier 2003

22 août 2004

23 août 2004

24 août 2004

25 août 2004

suivi intersaisonnier (2 ans)

campagnes intensives (1 mois)

manips ponctuelles

- Sources- Processus de transformation- Mécanismes de dispersion

TEOM PM10 et PM2.5

Compteurs de particules par classes de taille CNC 3-200 nm/ GRIMM 300-10 000 nm

AethalomètresMesures de BC

par méthode optique

Impacteursen cascade 13 étages

XXXX

XX

XX

XX

XX

Industries lourdes

Industries secondaires

Bio

mas

se

Sources non contrôlées

Beijing

Tianjin

Traffic

Production électrique

0

20

40

60

80

100

120

6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00

Tri

chlo

roét

hylè

ne, p

ptv

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

Toluène, pptvB

C, ng.m

-3

BC

Data 18-19/08/2004

Une pollution seulement due au trafic en centre-ville?

XXXX

XX

XX

XX

XX

0

20

40

60

80

100

120

6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00

Tri

chlo

roét

hylè

ne, p

ptv

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

Toluène, pptvB

C, ng.m

-3

BC

Data 18-19/08/2004

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

Toluène

Composés chlorés = traceurs d’émissions industrielles

Trichloroéthylène

Une pollution seulement due au trafic en centre-ville?

XXXX

XX

XX

XX

XX

Beijing

Tianjin

Micro particules de suie

Aggrégats de suie

5 µm

Apports locaux et régionaux

Suie siliceuse

2 µm

© LISA

Yufa

Changping

CGZ

Un bruit de fond régionalde particules NORTH

CENTER

SOUTH

PM 2.5, August 2004

BC POM Sulfate Nitrate Ammonium Other ions Dust

SNA = Sulfate + Nitrate + Ammonium

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

06/08 11/08 16/08 21/08 26/08 31/08Date (2004)

µg/m

3

SNA NORTH

SNA CENTRE

SNA SOUTH

SNA = Sulfate + Nitrate + Ammonium

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

06/08 11/08 16/08 21/08 26/08 31/08Date (2004)

µg/m

3

SNA NORTH

SNA CENTRE

SNA SOUTH

BC NORTH

BC CENTER

BC SOUTH

Les niveaux sont entraînés par les particules secondaires

XX

PM10 - Année 2004

NORTH

CENTER

SOUTH

Dents de scie, ou cycles hebdomadaires de pollution

0

100

200

300

400

23/08 24/08 25/08 26/08 27/08 28/08 29/08

PM10 CENTER

0

100

200

300

400

01/08 08/08 15/08 22/08 29/08

27

28

26 2524

23

29

PM 10

Year 2004

Les cycles journaliers se superposent

0

200

400

600

800

1/10 2/10 3/10 4/10 5/10 6/10 7/10 8/10 9/10 10/10

Année 2004

From Jia et al., JGR 2008

PM10

SNA = Sulfate + Nitrate + Ammonium

Chaque jour 15h00-17h00 : Instabilité thermique max.

Chaque jour, les minima PM correspondent aux concentrations de SNA

0

200

400

600

800

1/10 2/10 3/10 4/10 5/10 6/10 7/10 8/10 9/10 10/10

Année 2004

From Jia et al., JGR 2008

REGIONAL

LOCAL

Principe de la méthode: SNA = pollution régionale

0

100

200

300

400

02/07 09/07 16/07 23/07 30/07 06/08 13/08 20/08 27/08

PM10 CENTER

0

100

200

300

400

02/07 09/07 16/07 23/07 30/07 06/08 13/08 20/08 27/08

PM10 CENTERREGIONAL

0

100

200

300

400

02/07 09/07 16/07 23/07 30/07 06/08 13/08 20/08 27/08

PM10 CENTERREGIONALLOCAL

Exemple de l’été 2008 à Pékin

NON POLLUTION EVENTS

21

60

34

53

22

42

81

41

72 71

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

JAN. 2003 AUG. 2003 AUG. 2004 JUL. 2008 AUG. 2008

µg/m

3

REG. µg/m3 LOCAL µg/m3

"NON" POLLUTION EVENTS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

JAN. 2003 AUG. 2003 AUG. 2004 JUL. 2008 AUG. 2008

%

% LOCAL% REGIONAL

Pollution locale vs régionale depuis 2003

POLLUTION EVENTS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

JAN. 2003 AUG. 2003 AUG. 2004 JUL. 2008 AUG. 2008

%

% LOCAL% REGIONAL

Summer 2008: Decrease of the regionalcontribution to BJ downtown PM:

> 77% to 62% during polluted days> 42% to 36% during clear days

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

04/08 06/08 08/08 10/08 12/08 14/08 16/08 18/08Date (Year 2007)

µg/m

3

0

5

10

15

20

25

OC

/BC R

atio

SulfateOC/BC

Les composés organiques ! et plus particulièrement ceux de nature secondaire

PM 2.5 Data

Pollution locale et régionale, en résumé:

D’après l’analyse chimique des filtres: la pollution secondaire est d’abord soutenue par les sels de sulfate et de nitrate

Abaisser cette pollution régionale revient donc à diminuer les sources de sulfate et nitrate (industrie et trafic)

D’après les analyseurs chimiques rapides: la pollution locale est principalement due aux composés organiques secondaires

Abaisser cette pollution passe donc en prioritépar la diminution des précurseurs de cette matière organique particulaire

suivi intersaisonnier (2 ans)

campagnes intensives (1 mois)

manips ponctuelles

Estimation des facteurs

d’émission

Dynamique verticale

Nécessaires à la modélisation climatique !

Distribution verticale

0

40

80

120

160

200

240

280

320

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00

Alti

tude

, mVariations diurnes de la structure verticale

Distribution verticale

La journée: persistance d’une zone d’accumulation

La nuit: Couche de surface au minimum

04080

120160200240280

1000 2000 3000 4000 5000

BC, ng.m-3

Alti

tude

, m

0

4080

120160

200240

280

6 8 10 12 14 16

N/BC

… et de formation de nouvelles particules

Distribution verticale

BC

L’effet de l’urbanisation: la canopée urbaine = zone stable d’accumulation des polluants

040

80120160200

240280

1.0E+04 3.0E+04 5.0E+04

Nombre de particules, cm-3

Nombre de particules (N)matinaprès-midi matinaprès-midi matin après-midi

N/BC

nouveaux axes de recherche: études transdisciplinaires pollution-santé-coûtséconomiques

Shanghai: Chongming Eco-Island

Beijing

BEIJING // SHANGHAIBEIJING // SHANGHAI

COASTAL CITIESEMISSIONS CONTROLEMISSIONS CONTROLNORTH CONTINENTAL CLIMATENORTH CONTINENTAL CLIMATE

Chongqing

Sites d’études pour manips innovantes

CHONGQINGCHONGQING

GO WEST POLICY»HEAVY INDUSTRIESHEAVY INDUSTRIESSOUTH SOUTH CONTCONT’’LL CLIMATECLIMATE

Beijing EMC/EPB IAP, CAS BeijingAIOFM, CAS Hefei

Fudan U., Shanghai CRAES / CAS Beijing SH Meteo. Bureau

CQ EPB / CAES CAS Xi’an CQ Univ. Hospital n°1 Tsinghua U., Beijing …

CHONGQING

32 millions d’habitants Au cœur du « Bassin Rouge » Climat subtropical Industries lourdes traditionnelles En rapide développement

Huang et al., 2006

AOD modélisée en juin1995

CHONGQING

Impacteur en cascade 13 étages4 nm

Distribution en masse

10 µm

Epithélium

Tissu conjonctif

Muscle lisse

TOXICOLOGIE

Cils: Ø 250 nm.

PM2,5

Epithélium

Cytokines(GM-CSF, IL-8…)

Cytokines

. .

.

Amphiréguline

© K. Donaldson

Effet mitogène = Remodelage bronchique

TOXICOLOGIE

Impacts biologiques et sanitaires

MASSE

DIAMETRE DES PARTICULES

PM0.1Ultrafines

PM10 Thoraciques

PM2.5 Respirables

PM>10 Inhalables > 10 µm

2 à 10 µm

< 2 µm

Circulation sanguineCirculation sanguine

< 100 nmMASSE NOMBRE !

CARBONE SUIE

ORGANIQUES SOLUBLESINORGANIQUESPOUSSIERES MINERALES

ORGANIQUES INSOLUBLES

Non déterminé

CHIMIE et TAILLES des particules Stress

oxydant

Inflammation

aérosols

Cellule bronchique

Biomarqueurs de la réponse

pro-inflammatoire

TOXICOLOGIE

En collaboration avec Francelyne MARANO et Armelle BAEZA du LCTC (Paris 7 Diderot)

TOXICOLOGIEDétails expérimentaux de l’exposition des cellules épithéliales aux polluants

Phase 1 : Estimation expérimentale des fonctions dose-réponse par catégories d’âge d’un nombre défini d’individusvivant dans les zones d’étude (trafic routier, industries, cas-contrôle);

Phase 2 : Lien épidémiologique plus précis en utilisant uneinformation physico-chimique mieux détaillée (taille et composition chimique du mélange de polluants, mesures et modélisation)

Phase 3 : Etude de la prévalence de l’asthme chez les écoliers âgés d’au moins 9 ans, situés dans chacune des trois zones d’étude (trafic routier, industrielle, cas-contrôle).

EPIDEMIOLOGIE

Court et moyen termes (1-4 ans)

Estimation de fonctions

Dose-réponse

Mesures/SIG/Modélisation des polluants

Par espèce Par classe de tailles

Concentrations

Taux d’exposition

Âge, genre, fumeur/non-fumeur, …

X =

X =Données de population

[en collaboration]

Taux dTaux d’’expositionexpositionpar TYPE DE SOURCES par TYPE DE SOURCES (sc(scéénarios du futur)narios du futur)

X

Concentrations

Bronchites chroniques;

Asthme;

Pathologies respiratoires;

Pathologies cardio-vasculaires;

Obstructions pulmonaires;

…

Données sanitaires [en collaboration]

Affections respiratoires/ cardio-vasculaires

Impacts sanitaires: Approche ÉPIDÉMIOLOGIQUE

Impacts sanitaires ?

Par exempleRéduction d’espérance de vie

Occurrence de pathologies

Merci