ETAT DE L’ART SUR L’AEROSOL EN AFRIQUE DE L’OUEST

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Propriétés et caractérisation de l’aérosol en Afrique

Classification des particules atmosphériques

Les aérosols sont généralement classés en fonction de leurs modes de formation et/ou de leurs tailles. Les propriétés intrinsèques de l’aérosol telles que sa distribution granulométrique et sa composition chimique sont intimement liées à sa source d’émission et donc implicitement au mécanisme de sa formation.

Selon le processus de formation

Il existe schématiquement deux types d’aérosols dans l’atmosphère :
 L’aérosol naturel
 L’aérosol de pollution.
L’aérosol naturel provient essentiellement de l’érosion des sols, on parle alors d’aérosol crustal ou terrigène mais il peut aussi avoir pour origine les embruns marins, il s’agit alors d’aérosol marin. Le crustal est principalement constitué d’oxydes métalliques, d’alumino- silicates et de débris de plantes ou d’humus. L’aérosol de pollution est produit à la fois après conversion des vapeurs en particules, émises par exemple par les véhicules et les industries, on parle alors d’aérosol de conversion, et de manière directe.
Si l’aérosol est émis directement dans l’atmosphère sous forme particulaire depuis la source d’émission, c’est un aérosol primaire. Lorsque sa formation implique un mécanisme d’oxydation atmosphérique, on parle alors d’aérosol secondaire. L’aérosol primaire de pollution est constitué de particules carbonées, non fonctionnalisées, comme les débris de pneus ou de charbon et de particules métalliques (Pb, Zn, Fe…) ou d’alcanes et d’esters en chaîne longue, directement émis sous forme solide. L’aérosol secondaire est constitué de matière organique fonctionnalisée et de sulfates issus de la conversion du SO2 gazeux puis de son oxydation photochimique. Ce sulfate est appelé « Non Sea Salt » (NSS).

Selon la taille

La notion de taille de l’aérosol est un des paramètres fondamentaux pour décrire ses interactions avec le système atmosphérique et ses impacts. La taille d’une particule est définie à travers son diamètre aérodynamique (Da).
Il peut varier de quelques nanomètres à plusieurs dizaines de micromètres. La règlementation utilise principalement le terme PMx qui définit une population de particules de taille inférieure à une taille limite X (en micromètre).
Les particules sont généralement distinguées selon des gammes de taille appelées mode. La Figure I.1 illustre les principaux modes granulométriques de l’aérosol urbain selon le nombre et le volume (homogène à la distribution en masse). La fraction de l’aérosol dont le diamètre est supérieur à 2,5 μm est classiquement désignée de mode grossier (coarse, en anglais) ou grosses particules et la fraction dont le diamètre est inférieur à 2,5 μm correspond au mode fin (fine, en anglais) qualifiés de particules fines. Ce dernier se subdivise selon deux modes : le mode de nucléation avec des diamètres inférieurs à 0,1 μm (Da < 0,1 μm), correspond aux particules ultrafines ou noyau d’Aitken, et le mode d’accumulation avec des diamètres compris entre 0,1 et environ 2,5 μm (0,1 < Da < 2,5 μm).
La taille des particules dépend de leur processus de formation ou mécanisme d’injection dans l’atmosphère. Les particules du mode grossier sont généralement formées par des processus mécaniques (érosion des sols, embruns marins, volcans …) ou sont introduites dans l’atmosphère de façon artificielle. Pour le mode fin, les particules sont issues essentiellement de la combustion, de processus chimiques liés aux activités industrielles et urbaines mais aussi de particules biogéniques. Les processus de nucléation homogène donnent naissance à des particules appartenant au mode de nucléation. Ces particules de quelques nanomètres vont grossir rapidement dans l’atmosphère par coagulation ou condensation des composés gazeux à faible tension de vapeur pour former le mode d’accumulation. En effet, la nucléation est le phénomène suivant lequel apparaissent les premiers germes cristallins d’une phase solide ou d’un composé d’atomes ou d’ions présentant une structure ordonnée. Elle peut être aussi définie comme la formation d’embryons multi-moléculaires représentant la création d’une nouvelle phase à travers la transformation vapeur phase condensée (Figure I.2). La formation d’un embryon peut être homogène au sein de la phase gazeuse (nucléation homogène), ou bien hétérogène lorsqu’elle a lieu sur des noyaux préexistants (nanoparticules ou ions). Dans le cas de la nucléation homogène, un embryon est formé par la condensation sur elles même de molécules de précurseurs gazeux, alors que dans le cas de la nucléation induite par les ions, l’embryon se forme préférentiellement autour d’un ion.
Dans le mode de nucléation, le temps de résidence de l’aérosol est de quelques minutes à quelques heures. Le temps de résidence de l’aérosol appartenant au mode d’accumulation peut atteindre plusieurs jours, impliquant ainsi qu’il soit transporté sur de longues distances.

Sources d’émission des aérosols en Afrique

Les particules atmosphériques peuvent également être classées selon la source dont elles sont issues. Ces sources de production déterminent la composition chimique des aérosols, tandis que les mécanismes de production sont responsables de leur spectre granulométrique ainsi que de leur forme (D’Almeida et al. 1991). Les sources d’aérosol sont multiples, ce qui leur confère une composition chimique très hétérogène. Les aérosols de combustion et désertiques sont les deux principaux types d’aérosols en Afrique de l’Ouest (Korgo, 2014). Ces sources sont soit d’origine naturelle ou bien anthropique. On note une grande variabilité spatiale et temporelle des aérosols de combustion, dont les émissions dépendent fortement du niveau de développement et des modes de vie des régions considérées, de leurs activités anthropiques et des fuels utilisés mais également de la couverture végétale des territoires et de son utilisation.

Sources naturelles

Sources biogéniques

Elles sont généralement d’origine végétale ou animale. Elles sont composées de pollen, de spores de champignons, de débris divers d’animaux et végétaux, avec des tailles de l’ordre du micromètre, ainsi que de bactéries, moisissures et virus qui ont des tailles plus petites. Des études réalisées en Afrique plus précisément en Côte d’Ivoire et au Burkina Faso (Haute Volta) relèvent que les éléments traces tels que le potassium, le calcium, le chlore ont été retrouvés majoritairement dans les aérosols émis par la forêt tropicale (Crozat,1979; Ouafo-Leumbe et al., 2018).

Sources marines

Les aérosols marins sont produits par le « spray océanique » et sous l’action du vent. Des gouttes d’eau chargées de sels marins s’évaporent et conduisent à la formation de cristaux solides. Ils sont constitués d’ions chlorure, sulfate, sodium, potassium, magnésium et calcium, ce sont des sels de mer. . Les vents de surface ainsi que la proximité des sites de mesures par rapport à l’océan conditionnent leur présence dans l’atmosphère en Afrique de l’Ouest.

Sources terrigènes

Les poussières minérales sont émises dans l’atmosphère par l’action du vent sur les surfaces continentales, désertiques ou semi-arides, plus ou moins végétales, ainsi que de l’abrasion des roches (Figure I.3). Ces particules peuvent être mises en suspension dans l’air si la vitesse du vent dépasse 3 m/s (Boucher, 2015). Les particules de taille comprise entre 0,1 et 5 μm sont capaples de parcourir des grandes distances (d’Almeida et al., 1991). Elles sont généralement composées d’éléments caractéristiques de la croûte terrestre, à savoir Al, Si, Fe, Ti, Ca, Na, Mg et K (Usher et al., 2003). Ces aérosols désertiques constituent la première source en masse d’aérosols naturels émis à l’échelle globale (Tegen et al., 2004). En Afrique, ils proviennent principalement des zones désertiques du Sahara et du Sahel. Le Sahara est le plus grand désert de la terre, avec environ 8,5 millions de kilomètres carré de surface (Laurent, 2005) et il émet annuellement entre 400 et 700 Mt d’aérosols (Swap et al., 1992 ; Laurent et al., 2008).
Les émissions terrigènes prédominent pendant la saison sèche (Legrand et al., 1994; Moulin et al., 1998), de Novembre à Avril, et lors de passages d’évènements convectifs, de Juin à Septembre, tels que les lignes de grain mobilisant assez d’énergie pour soulever les poussières. Ces aérosols désertiques sont transportés vers les zones côtières du golfe de Guinée (Côte d’Ivoire, Ghana, Togo et Benin) en période d’harmattan qui correspond à la grande saison sèche soit de Décembre à Mars dans ces pays. Herman et al. (1997) et ses collaborateurs ont montré que les émissions ne sont pas homogènes dans les zones du Sahara et du Sahel. En effet, elles sont principalement localisées sur des zones actives appelées « hot spots ».
Ainsi, sur le continent africain, on dénombre 131 hot spots qui sont majoritairement localisés au Nord de l’équateur (Engelstaedler et al., 2006), comme nous pouvons le voir sur la Figure I.4. Ces 131 hots spots sont regroupés en quatre zones sur la base de l’Infrared Difference Dust Index (IDDI) de l’imageur infrarouge de METEOSAT, et de l’Aérosol Index de TOMS (Brooks et Legrand, 2000 ; Engelstraedter et al., 2006).
Figure I. 4: Localisation de 131 ‘hot spots’ responsables de la genèse de poussières désertiques à partir de la moyenne sur 1984-1990 de l’Aérosol Index (AI) issu des observations spatiales de TOMS (Engelstaedter et Washington, 2007b).
La figure I.5 présente ces 4 zones qui sont : la zone de dépression de Bodélé (A), la zone couvrant le Nord de la Mauritanie, du Mali et le Sud de l’Algérie (B), le désert Nubien entre le Nord du Soudan et le Sud de l’Egypte(C), le désert Libyen entre le Nord du Niger et le Sud de la Libye (D).
Figure I. 5:Moyenne mensuelle sur la période 1980-1992 de l’AI de TOMS (x10) illustrant les principales zones sources de poussières désertiques de l’Afrique du Nord : (A) Bodelé ; (B) Afrique de l’Ouest; (C) désert Nubien et (D) désert Libyen (Engelstaedter et al., 2006).

Sources anthropiques

En Afrique de l’Ouest, les principales sources anthropiques d’émission de particules sont : les feux de biomasse, les combustions fossiles (trafic, industries…) et les combustions de biocarburant (feux domestiques). Les particules émises dans l’atmosphère dans les grands centres urbains africains proviennent également des décharges à ciel ouvert soumises à une combustion lente et permanente des déchets. Pour les villes côtières, il faut y ajouter les émissions d’un intense trafic de bateaux de marchandises, seul moyen de relier efficacement les ports de la région aux exploitations pétrolières offshore et les émissions par les torchères. La conjugaison de ces émissions anthropiques aux émissions de particules fines dont l’origine varie selon les saisons (poussières provenant du Sahara associées aux aérosols des feux de savane du Nord en période sèche ou à ceux des feux de biomasse d’Afrique australe en période humide) conduit à une situation très particulière dans cette partie de l’Afrique en termes de qualité de l’air.

Feux de biomasse

Les feux de végétation, s’ils peuvent être d’origine naturelle, dus à la foudre ou à une éruption volcanique dans toute autre partie du monde, résultent en Afrique en majorité des activités humaines notamment des pratiques agricoles, de l’élevage et des traditions, et ce depuis la préhistoire. Aujourd’hui encore la plupart des feux sont volontaires à des fins de déboisement pour étendre les surfaces cultivables et les productions industrielles en Afrique (Figure I.6).
Figure I. 6: Illustration de feux de biomasse en Afrique indiquant a) la combustion en zone savane arborée d’Afrique (Palacios-Orueta et al., 2005); b) le feu en zone savane (Delmas et al., 2005); c) le feu de forêt en Afrique ( https://www.scidev.net/afrique- sub-saharienne/sante/actualites/feux-de- foret-risque-sante.html);et d) en zone savane humide d’Afrique de l’Ouest (Lamto, Côte d’Ivoire) (N’dri et al., 2012).
On note que 30 à 60% des quantités de végétation qui brûle sont situées en Afrique (Van der Werf et al., 2006 ; Robert et al., 2009 ; Van Marle et al., 2017); ce qui fait de l’Afrique en moyenne la plus grande source d’émission de particules de biomasse. Cette source notamment dans un contexte de sécheresse est à l’origine d’une importante pollution de l’air (Liousse et al., 2004 ; Palacios-Orueta et al., 2005). Les études de Andreae (1986) et Cachier et al.,1995 ont souligné que les aérosols émis par les feux de biomasse sont principalement de nature carbonée et sont majoritairement constitués de particules de taille submicronique (plus de 90% en masse). La contribution relative en carbone suie est relativement faible et ne représente que 7% de la masse totale (Cachier et al.,1995 ; Liousse et al., 1996; Andreae et al., 1998; Palacios-Orueta et al., 2005). Cet aérosol de feux de biomasse est essentiellement de nature organique et contient plusieurs éléments traces spécifiques. Le potassium sert ainsi de traceur des feux de végétation et il peut représenter jusqu’à 5.5% de la masse totale (il est le plus abondant pour les feux de savane). Des espèces minérales sont également émises, issues des matières terrigènes (Cachier et al., 1995), des cendres et des végétaux, avec notamment du fer et de l’aluminium pour les matières provenant du sol, dénotant un processus intense de remobilisation durant le feu (Gaudichet et al.,1995).
Les combustions de biomasse constituent donc une importante source de pollution pour l’atmosphère en termes d’émission d’espèces polluantes et leur intensité en Afrique de l’Ouest est illustrée dans la figure I.7. Le tableau I.1 résume quelques estimations des émissions de carbone suie et de carbone organique primaire par la combustion de biomasse en Afrique.

Feux de décharge ou de déchets solides

Les conséquences environnementales négatives des processus d’urbanisation rapide en Afrique peuvent découler d’une mauvaise gestion, de programmes mal conçus et d’installations inadéquates. Ainsi Patel and Burke (2009) considèrent que l’urbanisation est un danger sanitaire pour certaines populations vulnérables et qu’avec l’évolution démographique, une catastrophe humanitaire se dessine. L’urbanisation en elle-même apporte à la société un nouveau mode de vie et lui ouvre de nouveaux horizons. Cependant, lorsqu’elle devient galopante, elle pose de graves problèmes de gouvernance. Les capacités institutionnelles deviennent insuffisantes (Adepoju et Kumuyi, 2002) aboutissant à des problèmes sociaux, économiques et à une dégradation importante de l’environnement.
Parmi les conséquences délétères de l’urbanisation rapide des pays d’Afrique on trouve les problèmes de gestion des déchets solides, liquides et toxiques (Sané, 2002) (Figure I.8).
En effet, l’insuffisance des systèmes de collecte des déchets solides dans les pays d’Afrique incite certaines personnes à éliminer les déchets par brûlage à ciel ouvert dont les émissions de particules sont importantes et très toxiques (Wiedinmyer et al., 2014 ; Wang et al., 2017).
Les estimations de la production de déchets dépendent du taux de production de déchets par habitant et de la population de chaque pays. Des études récentes ont mis en évidence l’importance des émissions de particules provenant du brûlage des déchets à ciel ouvert dans plusieurs pays en développement, en particulier en Afrique notamment au Lesotho, au Burundi, au Mali, et en Somalie. Ces études estiment que les émissions des polluants provenant de la combustion à ciel ouvert des déchets sont supérieures ou égales aux émissions nationales totales de chaque pays de l’inventaire EDGARv4.2. Au Sri Lanka, les estimations des émissions de PM10 provenant de la combustion en plein air sont presque cinq fois supérieures aux émissions anthropiques nationales de PM10. En chine, elles représentent 22% des émissions anthropiques totales (Wiedinmyer et al., 2014). Bond et al. (2004) estimaient qu’à l’échelle mondiale, 33 Tg de déchets étaient brûlés en plein air chaque année, ce qui entraîne des émissions de 44 Gg BC .an-1 et 58 Gg OC .an-1. Wiedinmyer et al. (2014) estiment quant à ceux que 972 Tg de déchets sont brûlés annuellement pour des émissions annuelles de 631 Gg de BC et 5.1 Tg de OC, soit un facteur de 10 à 100 de plus que Bond et al. (2004). Par ailleurs, entre Juin et Juillet 2016, des mesures aéroportées et au sol réalisées au Ghana, Nigéria et Bénin dans le cadre du programme européen DACCIWA, ont mis en évidence des niveaux d’émissions importants provenant des décharges à ciel ouvert (Flamant et al., 2017).
Des mesures au sol sur la décharge d’Abidjan ont enregistré des concentrations massiques moyennes de PM2.5 de l’ordre de 28 µg.m-3 (Djossou et al., 2018).
Figure I. 8:Illustrations caractéristiques des décharges en Afrique de l’Ouest : a) décharge de Cotonou (Source Photo d’illustration) © AFP Bénin) ;b) décharge publique d’Akouédo à Abidjan (combustion des déchets).

Combustibles fossiles et biocarburants

Les aérosols de combustion issus des combustibles fossiles, résultent de l’utilisation des énergies de sources fossiles telles que l’essence, le diesel, les fiouls, dans divers secteurs d’activités tels que le trafic routier, les industries, les centrales thermiques et l’usage domestique (feux domestiques). Ceux provenant des combustibles de « biocarburant » résultent de la combustion du charbon de bois, du bois, des résidus agricoles, des déchets d’animaux à des fins d’usage domestique, commercial ou industriel. Ces deux sources d’émissions produisent toutes deux, du carbone suie et du carbone organique primaire.
En Afrique, peu d’études ont estimé les émissions des aérosols de combustibles fossiles et de biocarburant à l’échelle régionale. Les estimations existantes utilisent une approche de calcul basée sur la consommation en combustibles fossiles et biocarburants et les facteurs d’émission standard correspondant (Tableaux I.2, I.3, I.4). Ces estimations dépendent, du secteur d’activité (industrie, transport…), de la technologie utilisée (e.g véhicules 2 roues ou 4 roues), du type de fuel et de la qualité des installations ou des engins. Elles varient donc d’une région à une autre (Junker et Liousse, 2008 ; Bond et al., 2004). Notons que des améliorations notables ont été observées dans de récentes études menées dans la cadre du programme DACCIWA (Keita et al., 2018). Le tableau I.2 illustre quelques estimations des émissions de carbone suie et de carbone organique primaire liées à l’usage des combustibles fossiles et des biocarburants en Afrique.
Les pratiques ancestrales comme la cuisine au bois continuent d’exister et de se développer dans les centres urbains Africains et pour des raisons de coût, elles reposent sur des essences très émissives comme par exemple l’hévéa ou l’iroko très abondants en Côte d’Ivoire et au Bénin. Le bois de feu est le plus utilisé parmi les types de biocarburant et représente encore 60 à 70% des consommations d’énergie en Afrique, suivi du charbon qui représente 20 à 30% (rapport AFD & BAD, 2009 ; Keita et al., 2018).
Le secteur domestique est globalement le plus grand secteur consommateur de combustibles en Afrique (voir tableau I.3), plus particulièrement en Afrique de l’Ouest avec des consommations de 27 et 28% respectivement en 2005 et en 2015. Les inconvénients de cette énorme consommation sont connus : maladies respiratoires qui provoquent la mort de plusieurs centaines de milliers d’africains par an. Pourtant sa consommation peut être fortement diminuée par l’utilisation de foyers améliorés. Il n’est pas possible d’envisager à horizon court la disparition de l’utilisation du bois de feu. Par contre il apparaît urgent de développer sur une échelle massive la distribution de foyers améliorés.

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART SUR L’AEROSOL EN AFRIQUE DE L’OUEST
I.1 Problématique de la pollution atmosphérique particulaire
I.1.1 Quelques définitions relatives à l’aérosol
I.1.2 Propriétés et caractérisation de l’aérosol en Afrique
I.1.2.1 Classification des particules atmosphériques
I.1.2.1.1 Selon le processus de formation
I.1.2.1.2 Selon la taille
I.1.2.2 Sources d’émission des aérosols en Afrique
I.1.2.2.1 Sources naturelles
I.1.2.2.2 Sources anthropiques
I.1.2.3 Transport et élimination des particules dans l’atmosphère
I.1.2.4 Paramètres influençant la dispersion des aérosols atmosphériques
I.1.2.4.1 Evolution de la stabilité de la couche limite atmosphérique au cours d’une journée
I.1.2.4.2 Vent
I.1.2.4.3 Effet de vallée
I.1.2.4.4 Inversions de température
I.1.2.4.5 Précipitations et humidité
I.1.2.5 Composantes de l’aérosol en Afrique
I.1.2.5.1. Fraction minérale
I.1.2.5.2. Aérosol carboné
I.1.2.6 Épaisseur Optique en aérosol (AOT)
I.1.3 Impacts des aérosols sur l’environnement et le climat
I.2 Impacts des aérosols sur la santé
I.2.1 Cible principale des aérosols : l’appareil respiratoire
I.2.2 Etudes épidémiologiques des aérosols
I.2.3 Etudes toxicologiques
I.2.4 Principaux mécanismes décrits dans la toxicologie des PM
I.2.4.1 Inflammation
I.2.4.2 Stress oxydant
I.2.5 Généralités sur les espèces réactives de l’oxygène (EROs)
I.2.6 Stress oxydant induit par les PM
I.2.7 Propriétés oxydantes intrinsèques des PM
I.2.8 PM et stress oxydant
I.3 Travaux antérieurs en Afrique de l’Ouest sur l’impact de l’aérosol sur la santé
I.4 Programme DACCIWA
I.4.1 Description de DACCIWA ET DACCIWA-WP2
I.4.2 Mon étude dans DACCIWA WP2
CHAPITRE II : STRATÉGIE EXPÉRIMENTALE
Introduction
II.1 Méthodologie pour une caractérisation de la composition physico-chimique de l’aérosol de combustion.
II.1.1 Présentation des sites de mesure et d’échantillonnage
II.1.1.1 Présentation de la région d’Abidjan
II.1.1.1.1 Présentation du site 1« Abidjan Feux Domestiques
II.1.1.1.2 Présentation du site 2 « Abidjan Trafic (AT Adjamé) »
II.1.1.1.3 Présentation du site 3 «Abidjan Décharge (AWB Akouédo)»
II.1.1.2 Présentation de Cotonou et du site 4 «Cotonou Trafic (CT)»
II.1.2 Protocoles d’échantillonnage de l’aérosol
II.1.2.1 Méthode de prélèvement et de stockage des échantillons de l’aérosol
II.1.2.2 Séries collectées
II.1.3 Méthodes et techniques analytiques des particules
II.1.3.1 Masse de l’aérosol
II.1.3.2 Analyse des ions
II.1.3.3 Analyse de l’aérosol carboné
II.1.3.4 Analyses de la fraction carbonée hydrosoluble (WSOC)
II.1.3.5 Analyse des éléments traces
II.2 Particules atmosphériques : étude toxicologique
II.2.1 Matériel et méthodes biologiques
II.2.1.1 Préparation des échantillonset extraction des particules pour les analyses
II.2.1.2 Choix du modèle cellulaire
II.2.1.3 Choix des concentrations d’exposition
II.2.1.4 Mesure du statut rédox intracellulaire
II.2.2 Etude de la sécrétion des cytokines pro-inflammatoires
II.3. Conclusion
CHAPITRE III : PARTICULES ATMOSPHERIQUES OUEST AFRICAINE : CARACTERISATION PHYSICO-CHIMIQUES
Introduction
III.1 Présentation des principaux résultats de l’étude
III.2 ArticleA1
CHAPITRE IV : EFFETS PRO-INFLAMMATOIRES DANS LES CELLULES EPITHELIALES BRONCHIQUES HUMAINES EXPOSEES AUX PARTICULES ATMOSPHERIQUES DE DIFFERENTES CLASSES DE TAILLE EN AFRIQUE (ABIDJAN, CÔTE D’IVOIRE ET COTONOU, BENIN).
Introduction
IV.1 Présentation des principaux résultats de l’étude
IV.2 Article A2
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES