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
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