CARACTÉRISATION ET IMPACTS CLIMATIQUES DES AÉROSOLS EN AFRIQUE DE L’OUEST

Intérêt scientifique

Le réchauffement de la planète est devenu une préoccupation croissante tant pour les décideurs que pour les chercheurs. Le dernier rapport du GIEC (Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat) (IPCC, 2007) a conclu que le réchauffement de la planète est en grande partie imputable à l’action de l’homme (origine anthropique). Cependant, il reste encore beaucoup d’inconnus dans l’évolution future du climat terrestre, particulièrement sur le rôle des aérosols dans cette évolution et leurs interactions avec divers composants du système climatique. Plusieurs efforts internationaux ont été consacrés à l’étude des aérosols et à la compréhension de leurs interactions avec les autres composantes du système climatique planétaire. Ces études incluant des campagnes de mesures et des réseaux de surveillance permettent d’une part de caractériser les propriétés physico-chimiques de ces particules et d’autre part, d’évaluer leur impact sur le climat. Malgré tous ces efforts des incertitudes importantes demeurent. La figure 1.1 présente les différents forçages existants notamment celles liés aux gaz à effet de serre (GES) et aux aérosols. On constate que l’estimation du forçage lié aux GES est plus fiable que celles causés par les différents types d’aérosols. Les incertitudes associées à l’estimation du forçage des aérosols sont très importantes.

Généralités sur les aérosols

On appelle aérosol atmosphérique toute particule en suspension dans l’atmosphère hormis les gouttelettes d’eau et les cristaux de glace. Leur durée de vie dans l’atmosphère est de l’ordre de la semaine et ces particules peuvent être transportées à des milliers de kilomètres de leur zone d’émission. Aitken (1980) a été le premier à supposer leur rôle important dans les phénomènes atmosphériques. Et McCormick and Ludwig (1967) et Hansen et al. (2000) établissent leurs effets directs. Ces particules sont très diverses de part leur origine, leur taille, leur forme, leur zone source et leur composition chimique. Ils peuvent être d’origine naturelle (poussières désertiques, sels marins, cendres volcaniques, débris biologiques) ou anthropique (suies, poussières industrielles, feux de biomasse, aérosols organiques). D’après les travaux de Junge (1958) et Whitby (1978), elles peuvent être regroupées en trois classes de taille : – Avec un rayon compris entre 0.01 µm et 0.1 µm, les particules d’Aitken constituent des noyaux de condensation indispensables pour la formation des nuages et des brouillards. – La taille des particules fines varie entre 0.1 µm et 1 µm. Ces particules sont celles qui interagissent le plus avec le rayonnement. – De 1 µm à 100 µm, on retrouve ces grosses particules à proximité des zones d’émission. 4 1.1 Intérêt scientifique . Figure 1.1 – Forçages radiatifs moyens (W/m2 ) liés aux gaz à effet de serre et aux aérosols à l’échelle mondiale entre 1970 et 2006. Les barres rectangulaires représentent leurs contributions sur le bilan radiatif total. Les incertitudes liées à chaque estimation sont représentées par les lignes verticales. Source : (IPCC, 2007). Introduction générale 5 Le processus de formation des aérosols se fait soit par l’action du vent sur les surfaces (aérosols primaires) ou par la conversion gaz-particules (aérosols secondaires). Les aérosols primaires sont constitués de poussières désertiques et de particules maritimes alors que les aérosols secondaires sont souvent des nitrates et les particules de feux de biomasse. Le tableau 1.1 présente l’estimation des quantités d’aérosols (en millions de tonnes) présents dans l’atmosphère pour l’année 2000 (IPCC, 2001). On constate que les aérosols naturels constituent la majorité des émissions avec plus de 94% des estimations totales en 2000. Les aérosols sont pour la plupart localisés dans les basses couches d’où l’appellation d’aérosols troposphériques. Cependant, les éruptions volcaniques peuvent injecter d’importantes quantités de particules dans la stratosphère. Et enfin les aérosols s’éliminent en tombant sur terre soit par des précipitations (lessivage ou dépôt humide) ou par l’effet de leur poids (sédimentation puis dépôt sec). 

Effets atmosphériques des aérosols

Les aérosols agissent sur le climat par plusieurs effets complexes. D’abord, ils peuvent diffuser ou absorber le rayonnement solaire et donc provoquer un forçage, c’est l’effet direct (Charlson et al., 1992). La diffusion par les aérosols augmente l’albédo planétaire, ce qui entraîne un refroidissement. Ensuite, l’absorption du rayonnement change le taux de chauffage atmosphérique. Cela provoque des changements de la structure verticale de l’atmosphère en créant un gradient de température entre la couche d’aérosols et la surface (Ackerman et al., 2000). Cet effet mal connu est appelé effet semi-direct. Et enfin, leur présence dans l’atmosphère peut influencer la formation des nuages en servant de noyaux de condensation, on parle alors d’effet indirect. Une hausse de la concentration en particules peut se traduire par une multiplication des gouttelettes (diminution de leur taille) et donc une augmentation de l’albédo des nuages. Un albédo important s’accompagne d’une couverture nuageuse conséquente, ce qui entraîne de nouveau un refroidissement (premier effet indirect) (Twomey, 1974). La réduction de la taille des gouttelettes entraîne un prolongation de la durée de vie des nuages et peut provoquer une diminution des précipitations (deuxième effet indirect) Albrecht (1989); Ackerman et al. (2004). A l’état actuel des connaissances scientifiques, les effets indirect et semi-direct sont difficilement estimables. 

Autres effets des aérosols

Selon leur taille et leur composition chimique, les aérosols peuvent avoir des effets sanitaires et environnementaux. Pendant leur processus de dépôt sur les sols et sur la végétation, ils agissent sur ces derniers. Le dépôt (sec ou humide) des particules minérales participe à un apport en nitrates et en phosphates pour les surfaces arables. Cette fertilisation des sols a été notée par exemple dans le delta d’Okavango en Afrique Australe (Tyson et al., 2002). D’autres types de particules sont néfastes pour les surfaces dans le cadre des pluies acides qui peuvent provoquer une accélération de la désertification dans certaines zones. Le dépôt des aérosols sur la végétation peut altérer leur activité photosynthétique. Cela se caractérise notamment par une perte de rendement pour les cultures (Steiner and Chameides, 2005; Chameides et al., 1999). L’impact des aérosols sur la santé se traduit par une augmentation des cas de maladies respiratoires (Kacenelenbogen, 2008). Les aérosols dont le rayon est supérieur à 2.5 µm (PM2.5) affectent souvent les voies respiratoires supérieures (nez, gorge et cavité nasale). Les particules les plus fines pénètrent dans les poumons et peuvent atteindre les alvéoles par diffusion (Klaassen et al., 1986). L’exposition à une forte concentration de ces dernières peut produire de nombreux effets sur la santé, causant une inflammation pulmonaire jusqu’a une aggravation entraînant une thrombose vasculaire qui peut être mortelle (Nemmar et al., 2003). Les aérosols issus des combustibles fossiles sont responsables d’un nombre non négligeable de cas de décès dans les grandes villes (pollution urbaine). En Europe, on estime actuellement à 100000 le nombre de décès et à 725000 le nombre d’années de vie perdues par an attribuable à exposition au particules fines (Europeen, 2005). Plusieurs réseaux de surveillance de la pollution atmosphérique ont étés développés ces dernières années en Europe et un peu partout dans le monde. En mars 2010, le Sénégal a inauguré le Centre de Gestion de la Qualité de l’Air (CGQA) à Dakar (14.25 Introduction générale 7 ˚N ; 17.17 ˚W). Il a pour objectif d’assurer la veille sur la pollution ambiante, d’évaluer les rejets de polluants à la source, d’information du public sur l’état de la qualité de l’air et de fournir à l’état des rapports sur la pollution de l’air pour une prise de décision. Il dispose d’un laboratoire de référence et de cinq stations fixes de mesure de la pollution de l’air répartis à travers la ville de Dakar. Ces stations fixes sont complétées par un laboratoire mobile qui effectue des mesures dans des endroits ciblés. 

L’observation des aérosols par Télédétection

L’observation des aérosols par télédétection consiste à mesurer le signal électromagnétique qui interagit avec les particules pour obtenir des informations sur ces dernières. Le rayonnement est affecté par la capacité des particules à diffuser, absorber, réfléchir et à polariser la lumière. Si la source de ce rayonnement provient d’une source naturelle (Soleil ou Terre), on parle de télédetection passive alors que si le rayonnement provient directement de l’instrument, la détection est active (Lidar, Radar). L’analyse de ce rayonnement permet d’obtenir la signature des aérosols. Les mesures directes depuis le sol sont accomplies soit par intégration horizontale ou verticale (mesures photométriques). Elles servent surtout d’outils de validation des mesures inversées. Des réseaux mondiaux de télédétection au sol (passives et actives) ont été développés depuis une vingtaine d’année. Le plus célèbre d’entre eux est le réseau de détection passive AERONET 1 qui est formé de photomètres solaires. Il a permis d’avoir une base de données pour la caractérisation des aérosols continentaux (Holben et al., 1998). Le photomètre permet d’obtenir directement l’épaisseur optique en visant le soleil sur plusieurs directions. La courte durée de vie des aérosols, associés à leurs sources non-uniformes et à leurs interactions complexes conduisent à une forte variabilité temporelle et spatiale de ces derniers. Grâce à leur couverture globale, les mesures satellitaires constituent des outils adaptés à l’observation globale des aérosols. Certains instruments (AVHRR, TOMS, METEOSAT) non destinés à l’étude des aérosols ont permis d’avoir les premières estimations (plus ou moins précise) des caractéristiques des aérosols (Jankowiak and Tanre, 1992; Rao and McClain, 1989; Herman et al., 1997). Les premiers instruments conçus spécifiquement pour l’étude des aérosols furent POLDER (POLasrization and Directionality of the Earth’s Reflectances) en 1996 (Deschamps et al., 1994), MODIS (Salomonson and al, 1989) et MISR (Diner et al., 1998). Ces capteurs sont dotés de capacités d’observations innovantes, variées et complémentaires. Cependant, ils ont plusieurs limitations : (1) leur résolution spatiale est limitée et (2) les propriétés des aérosols ne peuvent pas être déduite directement de ces mesures. Les propriétés géophysiques des aérosols sont obtenues par inversion des mesures en utilisant des codes de transfert radiatif. 1.3 Les méthodes d’inversion Au dessus des surfaces océaniques, les méthodes d’inversion parviennent à une estimation précise des aérosols. Cependant au dessus des continents, ces méthodes sont confrontées à la 1. Source : http ://aeronet.gsfc.nasa.gov . Les méthodes d’inversion difficulté de séparer les contributions des aérosols à celles des surfaces du fait de leur variabilité temporelle et spatiale. Par contre, la détection des aérosols au dessus des terres est indispensable pour une meilleure description de ces derniers car la plupart des émissions s’effectuent au-dessus de ces types de surfaces (désert, forêt). Beaucoup de méthodes ont été mises en œuvre afin de mieux cerner cette problématique de surface. Dans un premier temps, les méthodes développées ont ciblé des surfaces continentales considérées comme assez sombres (forêt dense). Pour ces types de surfaces, on admet que la réflectance du sol est faible dans le proche infrarouge, ce qui la rend négligeable devant la contribution des aérosols. Des instruments comme LANDSAT3 ont été les premiers à envisager cette approche (Kaufman and Sendra, 1988). Par la suite d’autres capteurs comme MODIS, MISR, MERIS, POLDER et MICROPOL ont été développés pour la caractérisation des aérosols au dessus des terres. Pour restituer l’épaisseur optique des aérosols, MODIS utilise le canal 2.13 µm et estime les réflectances des surfaces dans les canaux visibles à l’aide de relations empiriques à 0.47 et 0.67 µm (Kaufman and Fraser, 1997). MISR utilise les mesures directionnelles pour distinguer les différentes contributions (surface et aérosol). Un modèle de surface bidirectionnelle a été utilisé pour généraliser cette méthode aux surfaces plus réfléchissantes (Martonchick and Diner, 1992). Comme sur l’océan, l’instrument agissant dans l’ultraviolet TOMS a permis d’étudier l’effet radiatif des aérosols désertiques (Hsu et al., 2000). Grâce aux mesures dans l’infrarouge thermique, les aérosols désertiques qui étaient jusque-là difficile à détecter ont pu être observés. Leur effet radiatif ainsi que l’estimation de leur épaisseur optique dans l’IR thermique a été mise en évidence par le biais d’instruments comme METEOSAT (10-12.5 µm) (Legrand et al., 1988; Legrand, 1989; Legrand et al., 2001; Verge-Depre, 2007) et AVHRR (Ackerman, 1989, 1997). L’autre approche originale consiste à utiliser l’information polarisée pour l’observation des aérosols au dessus des terres. Cette information est un outil très performant pour la caractérisation des aérosols au dessus des continents (Herman et al., 1997; Deuzé, 1993; Cairns et al., 1997). Contrairement à la surface, les aérosols et les molécules sont très sensibles à la polarisation. Un algorithme a été incorporé sur POLDER pour restituer les paramètres géophysiques de l’aérosol tels que, son épaisseur optique et sa taille (Deuzé et al., 2001). La figure 1.2 présente les principales sources d’aérosols restituées par POLDER le 1er mai 1997. On voit en contour les principales sources des différents types d’aérosols. La couleur jaune indique les panaches d’aérosols minérales sur le Sahara (Afrique) et dans les zones désertiques en Australie. Les panaches d’aérosols de feux de biomasse (Afrique Équatorial) sont représentés en ellipses noires. Et enfin les contours rouges symbolisent les sources d’aérosols de pollution localisées en Europe, Chine et en Amérique du Nord. Les instruments POLDER et MICROPOL ont démontré la neutralité spectrale des surfaces dans le proche et moyen infrarouge en mesures polarisées (Waquet, 2006). Partant de cette hypothèse, on arrive à améliorer l’estimation des paramètres de l’aérosol après correction des effets de l’atmosphère (molécules). Grâce aux mesures polarisées, l’instrument POLDER parvient à bien détecter les aérosols de pollution. Toutefois, la contribution de la surface doit être prise en compte dans certains cas. Des techniques de modélisation de différentes surfaces rencontrées ont été développées.