Le changement climatique et la pollution de l'air sont des crises interdépendantes qui menacent la santé humaine. La réduction des émissions de certains polluants atmosphériques peut aider à atteindre les objectifs climatiques, et certains efforts d'atténuation du climat peuvent à leur tour améliorer la qualité de l'air.
Une partie du programme de recherche du professeur Arlene Fiore du MIT consiste à étudier la science fondamentale pour comprendre les polluants atmosphériques - combien de temps ils persistent et se déplacent dans notre environnement pour affecter la qualité de l'air.
« Nous devons comprendre les conditions dans lesquelles les polluants, tels que l'ozone, se forment. Quelle quantité d'ozone se forme localement et quelle quantité est transportée sur de longues distances ? » dit Fiore, qui note que la pollution de l'air asiatique peut être transportée à travers l'océan Pacifique jusqu'en Amérique du Nord. « Nous devons réfléchir à des processus couvrant des dimensions locales à mondiales. »
Fiore, professeur Peter H. Stone et Paola Malanotte Stone en sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes, analyse les données des lectures au sol et des satellites, ainsi que des modèles, pour mieux comprendre la chimie et le comportement des polluants atmosphériques - qui finalement peut éclairer les stratégies d'atténuation et l'établissement des politiques.
Une préoccupation mondiale
Lors de la dernière conférence des Nations Unies sur le changement climatique, la COP26, la gestion de la qualité de l'air a été un sujet abordé pendant deux jours de présentations.
« La respiration est vitale. C'est la vie. Mais pour la grande majorité des gens sur cette planète en ce moment, l'air qu'ils respirent ne donne pas la vie, mais la coupe court », a déclaré Sarah Vogel, vice-présidente principale pour la santé au Fonds de défense environnementale, lors de la session COP26.
"Nous devons maintenant affronter ce double défi à la fois dans une optique de climat et d'air pur, en ciblant les polluants qui réchauffent à la fois l'air et nuisent à notre santé."
Plus tôt cette année, l'Organisation mondiale de la santé (OMS) a mis à jour ses directives mondiales sur la qualité de l'air qu'elle avait publiées 15 ans plus tôt pour six polluants clés, dont l'ozone (O 3 ), le dioxyde d'azote (NO 2 ), le dioxyde de soufre (SO 2 ) et le carbone. monoxyde (CO). Les nouvelles directives sont plus strictes sur la base de ce que l'OMS a déclaré être la «qualité et la quantité de preuves» de la façon dont ces polluants affectent la santé humaine. L'OMS estime qu'environ 7 millions de décès prématurés sont attribuables aux effets conjoints de la pollution de l'air.
« Nous avons eu toutes ces réductions motivées par la santé des émissions d'aérosols et de précurseurs d'ozone. Quelles sont les implications pour le système climatique, à la fois localement mais aussi dans le monde entier ? Comment la qualité de l'air réagit-elle au changement climatique ? Nous étudions ces interactions bidirectionnelles entre la pollution de l'air et le système climatique », explique Fiore.
Mais la science fondamentale est encore nécessaire pour comprendre comment les gaz, tels que l'ozone et le dioxyde d'azote, persistent et se déplacent dans la troposphère - la couche la plus basse de notre atmosphère, contenant l'air que nous respirons.
"Nous nous soucions de l'ozone dans l'air que nous respirons là où nous vivons à la surface de la Terre", déclare Fiore. « L'ozone réagit avec les tissus biologiques et peut endommager les plantes et les poumons humains. Même si vous êtes un adulte en bonne santé, si vous courez dur pendant un événement de smog d'ozone, vous pourriez ressentir un poids supplémentaire sur vos poumons.
Signes révélateurs de l'espace
L'ozone n'est pas émis directement, mais se forme plutôt par des réactions chimiques catalysées par le rayonnement du soleil interagissant avec les oxydes d'azote - des polluants libérés en grande partie par la combustion de combustibles fossiles - et des composés organiques volatils. Cependant, les instruments satellitaires actuels ne peuvent pas détecter l'ozone troposphérique.
"Nous ne pouvons pas récupérer l'ozone de surface ou même proche de la surface depuis l'espace", déclare Fiore à propos des données satellitaires, "bien que le lancement prévu d'un nouvel instrument semble prometteur pour de nouvelles avancées dans la récupération de l'ozone de la basse troposphère". Au lieu de cela, les scientifiques peuvent examiner les signatures d'autres émissions de gaz pour avoir une idée de la formation d'ozone. "Le dioxyde d'azote et le formaldéhyde sont au centre de nos recherches car ils servent de proxy pour deux des ingrédients clés qui forment ensuite l'ozone dans l'atmosphère."
Pour comprendre la formation d'ozone via ces polluants précurseurs, les scientifiques ont collecté des données pendant plus de deux décennies à l'aide d'instruments spectrométriques à bord de satellites qui mesurent la lumière du soleil dans les longueurs d'onde ultraviolettes et visibles qui interagissent avec ces polluants dans l'atmosphère terrestre - connue sous le nom de rayonnement solaire rétrodiffusé.
Les satellites, tels que Aura de la NASA, transportent des instruments tels que l'instrument de surveillance de l'ozone (OMI). OMI, ainsi que des satellites lancés en Europe tels que le Global Ozone Monitoring Experiment (GOME) et le Scanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CartograpHY (SCIAMACHY), et l'instrument de surveillance TROPOspheric de dernière génération (TROPOMI), tous en orbite autour de la Terre, collectant des données pendant heures de clarté lorsque la lumière du soleil interagit avec l'atmosphère au-dessus d'un emplacement particulier.
Dans un article récent du groupe de Fiore, l'ancienne étudiante diplômée Xiaomeng Jin (maintenant postdoctorale à l'Université de Californie à Berkeley), a démontré qu'elle pouvait rassembler et "réduire le bruit dans les données", comme le dit Fiore, pour identifier les tendances. dans la chimie de la formation de l'ozone dans plusieurs régions métropolitaines des États-Unis qui "concordent avec notre compréhension sur le terrain des mesures d'ozone in situ".
"Cette découverte implique que nous pouvons utiliser ces enregistrements pour en savoir plus sur les changements dans la chimie de l'ozone de surface dans les endroits où nous manquons de surveillance sur le terrain", explique Fiore. L'extraction de ces signaux en enchaînant les données satellitaires - OMI, GOME et SCIAMACHY - pour produire un enregistrement sur deux décennies nécessitait de concilier les différents jours d'orbite, heures et champs de vision au sol ou les résolutions spatiales des instruments.
Actuellement, les instruments spectrométriques à bord des satellites récupèrent les données une fois par jour. Cependant, des instruments plus récents, tels que le spectromètre géostationnaire de surveillance de l'environnement lancé en février 2020 par l'Institut national de recherche environnementale du ministère de l'Environnement de Corée du Sud, surveilleront une région particulière en continu, fournissant beaucoup plus de données en temps réel.
Au-dessus de l'Amérique du Nord, la collaboration Tropospheric Emissions: Monitoring of Pollution Search (TEMPO) entre la NASA et le Smithsonian Astrophysical Observatory, dirigée par Kelly Chance de l'Université de Harvard, fournira non seulement une vue stationnaire de la chimie atmosphérique sur le continent, mais aussi une vue à résolution plus fine - avec l'instrument enregistrant des données de pollution à partir de seulement quelques kilomètres carrés par pixel (avec un lancement prévu en 2022).
"Ce qui nous enthousiasme le plus, c'est la possibilité d'avoir une couverture continue où nous obtenons des mesures horaires qui nous permettent de suivre la pollution depuis l'heure de pointe du matin tout au long de la journée et de voir comment les panaches de pollution évoluent en temps réel", déclare Fiore.
Des données pour le public
Fournir des données d'observation de la Terre aux personnes en plus des scientifiques - à savoir les gestionnaires de l'environnement, les urbanistes et d'autres responsables gouvernementaux - est l'objectif de l'équipe des sciences appliquées de la santé et de la qualité de l'air de la NASA (HAQAST).
Depuis 2016, Fiore fait partie de HAQAST, y compris des «équipes de tigres» collaboratives – des projets qui réunissent des scientifiques, des entités non gouvernementales et des représentants du gouvernement – pour apporter des données à des problèmes réels.
Par exemple, en 2017, Fiore a dirigé une équipe de tigres qui a fourni des conseils aux agences nationales de gestion de l'air sur la manière dont les données satellitaires peuvent être intégrées dans les plans de mise en œuvre des États (SIP). «La soumission d'un SIP est requise pour tout État dont une région ne respecte pas les normes nationales de qualité de l'air ambiant des États-Unis afin de démontrer leur approche pour se conformer à la norme», déclare Fiore. "Ce que nous avons constaté, c'est que de petits ajustements, par exemple, les mesures que nous utilisons pour transmettre les résultats scientifiques, peuvent grandement contribuer à rendre la science plus utilisable, en particulier lorsqu'il existe des cadres politiques détaillés en place qui doivent être suivis."
Désormais, en 2021, Fiore fait partie de deux équipes de tigres annoncées par HAQAST fin septembre. Une équipe examine des données pour résoudre les problèmes de justice environnementale, en fournissant des données pour évaluer les communautés touchées de manière disproportionnée par les risques environnementaux pour la santé. Ces informations peuvent être utilisées pour estimer les avantages des investissements gouvernementaux dans les améliorations environnementales pour les communautés disproportionnellement touchées. L'autre équipe étudie les émissions urbaines d'oxydes d'azote pour tenter de mieux quantifier et communiquer les incertitudes dans les estimations des sources anthropiques de pollution.
"Pour nos travaux HAQAST, nous examinons non seulement l'estimation de l'exposition aux polluants atmosphériques, ou en d'autres termes leurs concentrations", explique Fiore, "mais notre confiance dans nos estimations d'exposition, qui à leur tour affectent notre compréhension. du fardeau de santé publique dû à l'exposition. Nous avons des partenaires parties prenantes au ministère de la Santé de New York qui associeront des ensembles de données d'exposition à des données sur la santé pour aider à hiérarchiser les décisions en matière de santé publique.
"J'aime travailler avec des parties prenantes qui ont des questions auxquelles la science doit répondre et qui peuvent faire une différence dans leurs décisions." dit Fiore.
