PIERCING THE HAZE
SALT LAKE CITY-Les hivers peuvent être toxiques ici. Pendant des jours, voire des semaines, une brume épaisse s’installe sur cette ville de skieurs et de randonneurs, car l’air pollué se retrouve piégé dans un bassin entouré de montagnes. Il peut être difficile de voir la prochaine voiture sur la route. Les visites à l’hôpital pour pneumonie et asthme montent en flèche, les écoles suspendent les récréations en plein air, et même les résidents en bonne santé se plaignent de gorges qui grattent et de quintes de toux.
Les météorologues disent que le phénomène, connu sous le nom d’inversion, est facile à expliquer : Un système de haute pression piège l’air froid dans le bassin, plaçant un couvercle sur la pollution. Mais les ingrédients spécifiques du smog, et la façon dont ils interagissent dans l’atmosphère, constituent une sorte de mystère. Et la pression pour le résoudre est de plus en plus forte : L’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) a jugé que la ville était en violation « grave » des normes de pureté de l’air pendant une partie de chaque année, obligeant les responsables de l’État à proposer un plan pour réduire la menace – ce qu’ils n’ont pas réussi à faire jusqu’à présent.
L’année dernière, afin de contribuer à l’élaboration de ce plan, des chercheurs de six universités et de plusieurs agences d’État et fédérales ont lancé un effort sans précédent pour mieux comprendre la composition chimique précise et les sources de la pollution. Au cours de deux inversions qui ont duré au total 17 jours, ils ont recueilli des données à partir d’avions, de ballons et de stations au sol.
Les grandes lignes de ce qu’ils ont trouvé n’ont guère surpris. La brume était principalement composée de minuscules particules, de moins de 2,5 microns de diamètre (PM2,5), qui peuvent se loger dans les poumons et contribuer à une mort prématurée. Certaines de ces particules étaient de la poussière, de la fumée ou de la suie, mais près des trois quarts étaient constituées de nitrate d’ammonium. Il se forme lorsque les oxydes d’azote produits par les véhicules, les fours et les équipements industriels se combinent avec l’ammoniac, qui s’échappe généralement des fermes qui utilisent des engrais liquides à base d’ammoniac ou produisent des tas de fumier animal.
Les chercheurs ont toutefois été surpris par les niveaux d’ammoniac pur qu’ils ont mesurés, étant donné que les fermes de l’Utah sont le plus souvent inactives en hiver. « Nous ne pensons généralement pas que les mois d’hiver sont des mois importants pour l’ammoniac », déclare la chimiste Jennifer Murphy de l’Université de Toronto au Canada, qui a participé à l’étude. Les chercheurs et les régulateurs tentent maintenant de déterminer exactement pourquoi ces niveaux étaient si élevés, et si la réduction de ces émissions pourrait aider à purifier l’air de ce que certains résidents en sont venus à appeler « Smog Lake City ».
Malgré son abondance, le rôle de ce gaz incolore, à l’odeur âcre et à l’aspect larmoyant dans la pollution atmosphérique mortelle est mal compris. C’est en partie parce qu’il est notoirement difficile à suivre. Les molécules d’ammoniac sont « collantes » et se combinent volontiers avec d’autres composés, ce qui rend difficile leur capture par les instruments de surveillance. De plus, la durée de vie de ce gaz est très courte, parfois de quelques jours seulement. « L’ammoniac est horrible », déclare Mark Zondlo, ingénieur en environnement de l’université de Princeton. « C’est vraiment l’un des pires gaz à mesurer dans l’atmosphère. »
Dans le monde entier, de nouveaux capteurs terrestres, aériens et spatiaux permettent de mieux cerner les sources, les mouvements et le devenir de l’ammoniac. Cette amélioration de la surveillance intervient alors que certains pays, dont le Royaume-Uni, prennent des mesures pour réduire les émissions d’ammoniac. Mais d’autres, dont les États-Unis, n’ont pas fait de la limitation de l’ammoniac une priorité, en partie en raison de l’incertitude entourant les sources, ainsi que de la crainte que des contrôles coûteux ne contribuent guère à améliorer la qualité de l’air. Au lieu de cela, les régulateurs ont souvent choisi de cibler d’autres ingrédients clés du smog, notamment les oxydes d’azote et de soufre créés par la combustion.
Mais l’accent mis sur l’ammoniac est susceptible de s’intensifier. Les émissions mondiales de ce gaz ont doublé au cours des 70 dernières années et devraient continuer à augmenter, en grande partie à cause de la demande croissante d’engrais chimiques. Cela a mis la pression sur les chercheurs et les régulateurs pour mieux comprendre les implications sur la qualité de l’air.
Le smog remplit une rue du centre-ville de Salt Lake City en décembre 2017.
George Frey/REUTERS
Cet été, l’expert en sciences atmosphériques Jeff Collett, de l’université d’État du Colorado à Fort Collins, se tenait dans une clairière du parc national des Rocheuses, entouré d’instruments qui soulignaient à quel point il est difficile de suivre l’ammoniac. D’autres polluants atmosphériques, comme l’ozone et le monoxyde de carbone, sont généralement surveillés par des réseaux d’instruments automatisés qui collectent et transmettent les données en temps réel. Mais pour suivre l’ammoniac, l’équipe de Collett doit faire un voyage d’une heure entre le campus et le terrain plusieurs fois par semaine pour recueillir manuellement des échantillons de leurs instruments.
L’un d’eux est un simple seau qui recueille l’eau de pluie, que les chercheurs analysent pour voir combien d’ammoniac a été piégé dans la vapeur d’eau. Un autre s’appuie sur une éponge enduite d’un acide pour absorber le gaz. (L’ammoniac, une base, réagit volontiers avec les acides.) Il existe également une spirale en verre enduite d’acide, qui débarrasse les échantillons d’air des molécules d’ammoniac collantes avant de séparer les autres composants de la matière particulaire.
C’est un processus délicat, mais les échantillons sont essentiels aux efforts de Collett pour documenter la façon dont l’ammoniac dérive des fermes situées à environ 80 kilomètres de là, à Greeley, dans le Colorado, vers le parc, où le nutriment peut endommager les écosystèmes sensibles, et vers Denver, où il contribue au smog. Ces travaux, en cours depuis 2011, ont permis de mieux cerner les sources et les mouvements d’ammoniac dans la région. Par exemple, lorsque des groupes d’agriculteurs du Colorado ont affirmé que les terrains de golf jouaient un rôle prépondérant dans les émissions d’ammoniac en raison de leur utilisation abondante d’engrais, M. Collett a installé un moniteur près d’un terrain de golf local et a démontré que ce n’était pas le cas ; les fermes étaient la source la plus importante. La surveillance a également permis à l’État de mettre en place un système qui avertit les agriculteurs lorsque les conditions météorologiques sont prévues pour pousser l’ammoniac vers Denver, les encourageant à limiter volontairement les applications d’engrais et à couvrir les tas de fumier.
Fresh off the farm
Les régions agricoles peuvent être des sources importantes d’ammoniac (NH3, zones sombres), en particulier pendant la saison de croissance lorsque l’utilisation d’engrais liquides est élevée. Les incendies de forêt (certaines zones jaunes près du haut de la carte) peuvent également produire des panaches de ce composé.
Ailleurs, d’autres efforts de surveillance – y compris un réseau national de 66 sites géré par l’EPA qui rapporte les relevés toutes les deux semaines – ont permis de dresser un tableau plus vaste, à l’échelle du continent, y compris la façon dont les émissions d’ammoniac peuvent varier selon les conditions météorologiques et la saison. Les progrès réalisés dans le domaine de la surveillance mobile ont permis de recueillir plus rapidement des mesures comme celles de M. Collett. Et depuis 2008, les satellites de la NASA offrent un aperçu global de la signature de l’ammoniac dans l’atmosphère. Ces outils aident les scientifiques à dresser un tableau plus complet des sources d’ammoniac, y compris les feux de forêt, dont on estime qu’ils produisent 10 % des émissions mondiales d’ammoniac en libérant le composé des plantes.
« Il y a dix ans, nous avions peut-être une douzaine de mesures à long terme dans tout le pays, et seulement une ou deux mesures par avion jamais », explique le chimiste atmosphérique Daven Henze de l’Université du Colorado à Boulder. « Maintenant, nous sommes en mesure d’obtenir régulièrement des informations sur le calendrier, l’ampleur, la variabilité et les sources. »
Peu d’efforts pour inventorier l’ammoniac, cependant, ont été aussi approfondis que celui entrepris dans la région de Salt Lake City au cours de l’hiver 2017. Les deux événements d’inversion documentés par la campagne terrestre et aérienne ont chacun duré plus d’une semaine, et les chercheurs ont pu recueillir des observations dans chacune des trois principales vallées de la région : Salt Lake, Cache et Utah.
Les décomptes existants des sources d’ammoniac de l’Utah suggéraient que les niveaux d’ammoniac seraient similaires dans chacune des trois vallées. En fait, les chercheurs ont constaté que les niveaux variaient selon la géographie – et que les relevés étaient plus élevés que prévu.
Maintenant, Murphy et des chercheurs alliés s’efforcent de comprendre cette variation et de déterminer d’où vient l’ammoniac. L’équipe utilise un réseau de moniteurs au sol, combiné à des mesures aériennes, pour cartographier les concentrations d’ammoniac dans la ville. Elle examine la configuration des vents pour déterminer comment l’ammoniac peut dériver depuis les zones agricoles voisines. Ils recherchent également des sources qui pourraient avoir été négligées.
Les voitures dans les zones urbaines, par exemple, pourraient être à l’origine de plus d’ammoniac qu’on ne le pensait. Dans une étude récente, Zondlo a déployé des instruments mobiles qui utilisent des lasers pour mesurer les panaches d’ammoniac rejetés par les véhicules dans des villes des États-Unis et de Chine. Il a découvert que les véhicules – qui produisent de l’ammoniac en tant que sous-produit de leurs convertisseurs catalytiques de nettoyage des émissions – émettaient environ deux fois plus d’ammoniac que prévu. « Dans l’ensemble, les véhicules représentent une source relativement faible », note-t-il. Pourtant, les émissions pourraient jouer un rôle important dans la pollution particulaire dans les villes, dit-il, parce que l’ammoniac est produit à proximité d’autres composés de combustion qui alimentent la création de PM2,5.
Dans l’Utah, les régulateurs de l’État espèrent qu’une meilleure compréhension des sources d’ammoniac de Salt Lake City les aidera à construire de meilleures simulations informatiques des événements de pollution atmosphérique, qui peuvent être essentielles pour identifier des solutions. Par exemple, s’il s’avère que l’ammoniac dérive vers la ville à partir d’exploitations agricoles situées dans les vallées voisines, l’État pourrait essayer de réduire ces sources, peut-être en demandant aux agriculteurs de limiter l’utilisation d’engrais, lorsque le temps est propice aux inversions. Mais cette stratégie pourrait ne pas avoir de sens si les sources urbaines d’ammoniac, comme les voitures, s’avèrent jouer un rôle plus important dans la chimie qui produit le smog. « Avec autant de facteurs, nous devons comprendre l’ensemble du tableau », dit Murphy.
Les régulateurs veulent également être sûrs que les contrôles potentiellement coûteux sur les fermes ou d’autres sources d’ammoniac produiront un avantage, ce qui signifie craquer la composition chimique du smog. Aux États-Unis, par exemple, les réglementations existantes en matière de pollution atmosphérique ont fortement réduit les concentrations atmosphériques d’oxydes d’azote, ce qui signifie que moins de molécules de ces composés sont disponibles pour se combiner avec l’ammoniac et former des particules. Ainsi, la réduction des émissions d’ammoniac pourrait ne pas faire une grande différence dans les régions où les autres ingrédients du smog sont déjà en quantité limitée. Dans d’autres zones, en revanche, l’étouffement des panaches d’ammoniac pourrait être la clé de la réduction des particules. « Nous ne sommes pas encore en mesure d’affirmer que les mesures difficiles auront un impact », déclare M. Murphy.
La situation est très différente en Europe, où les organismes de réglementation environnementale mettent depuis longtemps l’accent sur l’ammoniac, en partie à cause des préoccupations concernant son impact sur les écosystèmes. (L’ammoniac peut s’infiltrer dans les ruisseaux et les rivières, par exemple, où il peut être toxique pour les organismes aquatiques). La Commission économique pour l’Europe, une émanation des Nations unies, a fixé des limites pour l’ammoniac en 2012, et les pays européens ont utilisé diverses stratégies pour réduire les émissions agricoles globales de 24 % depuis 1990. L’Allemagne, par exemple, a imposé des limites par hectare à l’utilisation de certains types d’engrais, et les Pays-Bas ont créé des incitations financières pour une utilisation plus efficace des engrais.
Plus tôt cette année, le Royaume-Uni a dévoilé un vaste plan de qualité de l’air qui comprend des plans pour réduire les émissions d’ammoniac du pays provenant de l’agriculture de 16% d’ici 2030. Cette décision a été prise après que l’Agence britannique pour l’environnement a constaté que l’ammoniac était le seul polluant atmosphérique majeur du pays à avoir augmenté depuis 2013, et que les émissions des exploitations agricoles continueraient à augmenter sans « action urgente ». Cette tendance menaçait la tentative du gouvernement de réduire de moitié, d’ici 2025, le nombre de personnes respirant un air dont les niveaux de PM2,5 sont jugés dangereux par l’Organisation mondiale de la santé (OMS). (La norme particulaire de l’OMS est de 10 microgrammes de PM2,5 par mètre cube d’air, en moyenne sur une année ; la norme annuelle américaine est de 12 µg/m3.)
Pour atteindre la réduction de l’ammoniac, le gouvernement prévoit d’exiger des agriculteurs qu’ils limitent les applications d’engrais et couvrent les tas de fumier, et il imposera des contrôles plus stricts aux exploitations laitières. L’industrie agricole, qui a été consultée sur le plan, a été largement réceptive. Les agriculteurs ont déjà pris volontairement des mesures similaires, ont noté les responsables de l’industrie, et ils ont accueilli favorablement les plans du gouvernement pour aider à financer le déploiement de technologies de contrôle de l’ammoniac.
La gestion des sources d’ammoniac dans les fermes, comme ce tas de fumier de poulet dans le Maryland, pourrait être essentielle pour limiter les émissions.
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Les autres nations dont les émissions d’ammoniac sont importantes ne sont pas encore prêtes à suivre l’exemple du Royaume-Uni. La Chine, qui est connue pour être un point chaud des émissions d’ammoniac au niveau mondial mais ne dispose pas d’un inventaire fiable des sources, ne réglemente pas ce composé. Les États-Unis non plus, bien que l’EPA considère l’ammoniac comme un précurseur des PM2,5.
Un gros problème auquel sont confrontés les régulateurs américains est le manque de données complètes sur les sources d’ammoniac. « Il est difficile de réglementer quelque chose si vous ne le mesurez pas », explique M. Collett. Les groupes agricoles américains ont, jusqu’à présent, repoussé les efforts visant à obliger les agriculteurs à déclarer les émissions d’ammoniac, arguant que l’effort serait inutilement lourd. En 2013, l’EPA a lancé une étude de surveillance de l’ammoniac sur deux ans, en collaboration avec les industries porcine, laitière et avicole, portant sur 24 sites dans neuf États. Mais le projet a été arrêté après que les conseillers scientifiques de l’agence aient critiqué la qualité des données recueillies.
Si l’EPA poursuivait la réglementation de l’ammoniac, la politique constituerait probablement une pierre d’achoppement. Les groupes agricoles ont fait valoir que, comme le gaz a de nombreuses sources et peut dériver sur de longues distances, tout contrôle devrait être soigneusement conçu ; une solution ne serait pas aussi simple que, par exemple, l’installation d’un épurateur chimique sur une centrale électrique. Ils notent également que les agriculteurs ont déjà pris des mesures volontaires pour limiter les émissions, comme la réduction de la quantité de précurseurs d’ammoniac utilisés dans l’alimentation animale et la modification des pratiques de gestion du fumier.
Pour autant, les régulateurs américains pourraient subir des pressions pour agir si les études de Salt Lake City et d’ailleurs fournissent des preuves que l’ammoniac est devenu un moteur important de la pollution par les particules. Et au moins un scientifique pense que les réponses pourraient arriver plus tôt que plus tard – « des années, pas des décennies », prédit Henze, qui siège au comité consultatif de l’EPA qui étudie la question. « L’EPA n’a pas voulu faire avancer les choses en raison de l’incertitude qui entoure l’ammoniac, dit-il. « Maintenant, nous sommes en train de dépasser cette incertitude. »