Un ciel voilé peut avoir de nombreuses explications. Des particules fines peuvent s’être accumulées au cours d’une période de temps stagnant. La fumée d’incendies de forêt peut avoir parcouru des centaines, voire des milliers de kilomètres. Les poussières soulevées au-dessus du Sahara peuvent traverser la Méditerranée et atteindre de vastes régions d’Europe. Lors des journées chaudes et ensoleillées, les concentrations d’ozone près de la surface peuvent augmenter, alors même que l’ozone n’y est pas directement émis.
Ce que toutes ces situations ont en commun, c’est que les substances présentes dans l’air sont étroitement liées à l’état de l’atmosphère.
Une fois que les polluants entrent dans l’atmosphère, leur comportement dépend fortement des conditions météorologiques. Ils peuvent être transportés loin de leur source, rester piégés près du sol ou se disperser plus largement. La pluie peut éliminer certaines particules de l’air, tandis que le rayonnement solaire et la température peuvent déclencher des réactions chimiques qui créent de nouveaux polluants à partir de substances déjà présentes dans l’atmosphère.
Prévoir la qualité de l’air va donc au-delà de la prévision du temps. Les modèles doivent aussi décrire ce qui est présent dans l’atmosphère, d’où cela provient, comment cela réagit chimiquement et où la circulation atmosphérique le transportera ensuite.
De la prévision météorologique à la composition de l’atmosphère
Les modèles numériques de prévision météorologique simulent l'évolution de l'atmosphère. Les modèles de qualité de l'air vont plus loin en représentant également les gaz, les aérosols et les processus qui les affectent.
Les prévisions de qualité de l'air visualisées par meteoblue reposent sur les données du Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS), qui combine observations atmosphériques et modélisation afin de prévoir les polluants, les aérosols et d'autres constituants de l'atmosphère. La modélisation d'ensemble est également utilisée afin de tenir compte des différences entre les prévisions individuelles et de fournir une indication de l'incertitude.
Les modèles de qualité de l'air prennent en compte les émissions, le transport, les réactions chimiques, la dispersion ainsi que les processus qui éliminent les polluants de l'atmosphère. En termes simples, ils doivent répondre à deux questions : que contient l'atmosphère et que va-t-il se passer ensuite ?
D’où vient la pollution de l’air ?
Certains polluants entrent directement dans l’atmosphère. Le trafic, les procédés industriels, la production d’énergie et le chauffage résidentiel libèrent des gaz et des particules. Les incendies de forêt injectent de la fumée et de grandes quantités de particules dans l’atmosphère. Le vent peut soulever des poussières minérales sur les surfaces sèches et les transporter parfois au-dessus de continents entiers.
Les processus naturels y contribuent également. La végétation libère des composés organiques, les volcans émettent des gaz et des particules, les embruns marins produisent des aérosols et les plantes libèrent d’énormes quantités de pollen pendant leur période de floraison.
D’autres polluants ont une origine plus complexe, car ils se forment après leur émission.
L’ozone au niveau du sol en est un bon exemple. Contrairement aux polluants rejetés directement par un pot d’échappement ou une cheminée, l’ozone près de la surface est produit par des réactions photochimiques impliquant des substances précurseurs telles que les oxydes d’azote et les composés organiques volatils. C’est l’une des raisons pour lesquelles la pollution à l’ozone est souvent associée à des conditions chaudes et ensoleillées. La carte de l’ozone de meteoblue montre les concentrations près de la surface ; cet ozone troposphérique ne doit pas être confondu avec la couche d’ozone stratosphérique qui protège la Terre des rayonnements ultraviolets nocifs.
Les particules peuvent aussi avoir plusieurs origines. PM10 et PM2.5 décrivent les particules selon leur taille, et non une substance chimique unique. Elles peuvent inclure de la fumée, de la suie, des poussières minérales, des sels et d’autres matériaux, tandis que d’autres particules peuvent se former par des réactions chimiques dans l’atmosphère.
Ce mélange d’émissions directes, de sources naturelles et de chimie atmosphérique explique en partie pourquoi la prévision de la qualité de l’air est un problème de modélisation aussi complexe.
La météo détermine ce qui se passe ensuite
Savoir quelle quantité de pollution a été émise ne suffit pas. Les mêmes émissions peuvent donner une qualité de l’air très différente selon les conditions météorologiques.
Prenons deux journées par ailleurs semblables dans une grande ville.
Le premier jour, les vents sont faibles et l’atmosphère près de la surface est stable. Le brassage vertical est réduit, ce qui permet aux polluants de s’accumuler près du sol. Si ces conditions persistent, les concentrations peuvent continuer d’augmenter, même sans hausse spectaculaire des émissions.
Un autre jour, des vents plus forts et une couche de mélange plus épaisse peuvent disperser les mêmes polluants dans un volume d’air beaucoup plus important. Le passage d’un front peut ensuite apporter des précipitations, susceptibles d’éliminer une partie des particules et des substances solubles de l’atmosphère.
La direction du vent est tout aussi importante. Une mauvaise qualité de l’air observée en un lieu n’y a pas nécessairement son origine. La fumée, les poussières et d’autres polluants peuvent être transportés au-delà des frontières nationales et sur de très longues distances.
Les poussières désertiques en offrent l’un des exemples les plus nets. Les particules minérales soulevées au-dessus du Sahara peuvent remonter vers le nord et traverser la Méditerranée lorsque la circulation atmosphérique est favorable. À des concentrations suffisamment élevées, les poussières désertiques deviennent visibles sous la forme d’un voile dans le ciel.
La fumée des incendies de forêt se comporte de manière similaire. Selon la vitesse et la direction du vent, ainsi que la hauteur à laquelle la fumée pénètre dans l’atmosphère, un incendie peut affecter la qualité de l’air très loin de la zone en feu.
C’est pourquoi une carte de la qualité de l’air devient particulièrement instructive lorsqu’elle est examinée avec les cartes météorologiques. Un panache de particules élevées nous indique où les concentrations sont fortes ; les champs de vent et la situation synoptique plus large aident à expliquer d’où provient cet air et où il pourrait se diriger ensuite.
Lancer une prévision : que contient l’atmosphère en ce moment ?
Pour prévoir la qualité de l’air de demain, un modèle a d’abord besoin d’une estimation précise des conditions atmosphériques du jour, ce qui est obtenu par assimilation de données.
Comme pour la prévision numérique du temps, les observations sont combinées aux informations du modèle afin de construire une image de l’état actuel de l’atmosphère. Ces observations peuvent provenir de stations de mesure au sol comme de satellites, et fournissent des informations sur les gaz et les aérosols à différentes échelles spatiales.
Les stations de mesure fournissent des mesures directes en des points précis, tandis que les satellites offrent une couverture spatiale beaucoup plus large. Les systèmes de prévision combinent ces observations avec des modèles atmosphériques pour estimer la répartition actuelle des polluants et prévoir comment leurs concentrations pourraient évoluer et se déplacer dans les heures et les jours à venir.
Une prévision, de nombreuses variables
Aucune variable ne décrit à elle seule la qualité de l’air. Différentes cartes répondent à différentes questions.
L’indice commun de qualité de l’air (CAQI) offre un aperçu simplifié. Plutôt que d’afficher la concentration d’une seule substance, il traduit plusieurs polluants importants en un indice qui indique la qualité de l’air de fond globale. meteoblue utilise le CAQI de fond, car les modèles atmosphériques ne peuvent pas reproduire les différences à très petite échelle que l’on observe directement le long des routes.
Pour examiner une situation particulière, en revanche, regarder les composantes individuelles est souvent bien plus instructif.
PM10 et PM2.5 indiquent les concentrations de particules. PM10 représente les particules de moins de 10 micromètres, tandis que PM2.5 représente la fraction plus fine, dont le diamètre est inférieur ou égal à 2,5 micromètres. Les sources vont de la combustion et de la fumée des incendies aux poussières et aux particules produites par des réactions atmosphériques.
Le dioxyde d’azote (NO₂) est fortement associé à la combustion. En ville, le trafic routier en est une source importante, même si le NO₂ a aussi des sources naturelles et participe à la chimie atmosphérique conduisant à la formation d’ozone.
Le dioxyde de soufre (SO₂) est associé en particulier à la combustion et à la transformation de combustibles et de matériaux contenant du soufre. Une fois dans l’atmosphère, les composés soufrés peuvent subir d’autres réactions et contribuer à la pollution particulaire et aux dépôts acides.
Le monoxyde de carbone (CO) provient d’une combustion incomplète et peut donc être associé à des sources telles que les incendies et la combustion de combustibles fossiles. Il participe aussi à la chimie atmosphérique et influence indirectement les concentrations d’autres gaz, dont l’ozone et le méthane.
L’ozone (O₃) raconte une autre histoire, car des concentrations élevées en surface peuvent se développer par des réactions photochimiques plutôt que par des émissions directes. La température, le rayonnement solaire, les polluants précurseurs et la circulation atmosphérique influencent tous son développement et son transport.
Les poussières désertiques isolent une autre source spécifique d’aérosols. Comme les poussières peuvent être transportées sur de très longues distances, consulter leur prévision à différentes altitudes aide à révéler la structure tridimensionnelle d’une intrusion de poussières.
Il y a enfin l’épaisseur optique des aérosols (AOD). Contrairement à la concentration de PM2.5 ou de PM10 près de la surface, l’AOD décrit dans quelle mesure les aérosols réduisent la transmission de la lumière à travers toute la colonne atmosphérique. Une AOD élevée peut être liée à la fumée d’incendies, aux poussières désertiques ou à la pollution anthropique. Elle est donc utile pour identifier de larges panaches d’aérosols, mais elle ne doit pas être interprétée comme une mesure directe de ce que l’on respire au niveau du sol.
Et la prévision atmosphérique ne se limite pas à la pollution. Le pollen est lui aussi transporté par l’atmosphère. Les cartes météo de meteoblue comprennent des couches de pollen de graminées, d’ambroisie, de bouleau et d’olivier. Le pollen peut voyager sur des distances considérables avec les courants d’air, tandis que les précipitations peuvent l’éliminer de l’air. Les orages compliquent le tableau, car des vents forts peuvent d’abord augmenter les concentrations de pollen en suspension.
Ensemble, ces couches montrent ce qui se trouve dans l’air, d’où cela pourrait provenir et comment les conditions météorologiques influencent son déplacement.
Pourquoi la qualité de l’air à l’échelle locale est particulièrement difficile à prévoir
La pollution de l’air peut varier considérablement sur de très courtes distances. Une station de mesure située au bord d’une route fréquentée peut enregistrer des concentrations de NO₂ bien plus élevées qu’une autre station située à quelques kilomètres dans un parc. L’orientation des rues, la hauteur des bâtiments, l’intensité du trafic, les sources industrielles et les conditions de vent locales peuvent tous contribuer à ces différences.
Les modèles atmosphériques régionaux ne peuvent pas représenter chacun de ces effets à petite échelle. Ils peuvent restituer un épisode de pollution à l’échelle d’une région, alors que les conditions près d’une route fréquentée, d’un site industriel ou d’une autre source locale peuvent s’écarter des valeurs modélisées.
Les modèles météorologiques rencontrent la même difficulté. Une résolution plus élevée apporte davantage de détails locaux, mais les processus qui se produisent à des échelles inférieures à la maille du modèle ne peuvent pas toujours être représentés directement.
Pourquoi utiliser un ensemble pour la qualité de l’air ?
Les prévisions de qualité de l’air comportent plusieurs sources d’incertitude. Les émissions peuvent changer, les prévisions météorologiques ne sont pas parfaites et les différents modèles représentent le transport, les aérosols et la chimie atmosphérique de manières différentes.
L’utilisation d’un ensemble de plusieurs modèles permet de tenir compte de ces différences. Plutôt que de s’appuyer sur une seule prévision, on peut comparer ou combiner les résultats de plusieurs modèles. Les écarts entre eux donnent également une indication de l’incertitude de la prévision.
Comme pour la prévision météorologique, aucun modèle n’est le meilleur pour tous les polluants, tous les lieux et toutes les situations atmosphériques. Lorsque les modèles divergent, ce désaccord constitue en lui-même une information utile sur la confiance que nous pouvons accorder à la prévision.
Lire l’atmosphère comme un système
L’aspect le plus intéressant de la prévision de la qualité de l’air est peut-être qu’aucune de ces variables n’existe isolément.
Une prévision de PM2.5 élevée prend davantage de sens lorsqu’on la compare à la direction du vent. Un signal d’aérosols étendu peut être examiné en parallèle des poussières désertiques afin de déterminer si des particules minérales sont en jeu. Les concentrations d’ozone peuvent être considérées avec la température, l’ensoleillement et la circulation atmosphérique. Les prévisions de pollen peuvent être comparées au vent et aux précipitations.
L’atmosphère relie en permanence des processus qui se produisent à des échelles très différentes – des émissions le long d’une rue de ville aux tempêtes de poussière au-dessus de l’Afrique du Nord, en passant par des incendies de forêt situés à des centaines ou des milliers de kilomètres.
Les modèles atmosphériques modernes tentent de relier ces éléments, en combinant météorologie, émissions, chimie, transport et observations en une prévision de ce que l’air autour de nous pourrait contenir dans les heures et les jours à venir.
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