Pollution-Climate Connections Liens entre Pollution et Climat

Guest commentary by Loretta Mickley, Harvard University

Every summer over much of the United States, we brace ourselves for heat waves. During these periods, the air turns muggy and usually smoggy. After a few days, a cold front moves in, sweeping away the pollution and ending the heat. Given that we are on a path towards global warming, atmospheric chemists are asking how climate change could affect air quality. Will warmer temperatures mean more pollution during these episodes? Will episodes last longer? Most importantly, what effect will changes in air quality have on human health?
Article invité par Loretta Mickley, Harvard University (Traduit par Pierre Allemand)

Tous les étés, dans la plupart des régions des USA, nous nous préparons aux vagues de chaleur. Pendant ces périodes, l’air devient très humide et généralement brumeux. Après quelques jours, un front froid survient, balayant la pollution et mettant fin à la chaleur. Etant donné que nous nous acheminons vers un réchauffement global, les spécialistes de la chimie de l’atmosphère se demandent de quelle façon le changement climatique pourrait affecter la qualité de l’air. Des températures plus élevées signifieront-elles plus de pollution durant ces épisodes ? Ces épisodes dureront-ils plus longtemps ? Plus important : quels sont les effets des changements dans la qualité de l’air sur la santé humaine ?
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Recently the National Resource Defense Council (NRDC) released Heat Advisory, a report warning that surface air quality could suffer greatly as a result of climate change. In response, a group called the Pacific Research Institute (PRI), together with another group called United for Jobs, published Air Quality False Alarm, a detailed criticism of the NRDC forecast. PRI argues, among other things, that anthropogenic emissions in the U.S. will drop sharply in coming decades. In their view, air pollution will become a thing of the past, no matter what happens to climate.

What’s the story here? First, a little background on ozone and particulate matter (PM), two major components of smog. Surface ozone is formed from a mix of natural and anthropogenic precursors like nitrogen oxides and volatile organic carbon. We have measurements of surface ozone dating back to the late 1800s which imply that ozone in some regions has increased 2-5 times due to emissions of ozone precursors from cars, industry, and power plants. As for PM, there are many different kinds – e.g., organic carbon, soot, and sulfate-ammonium-nitrate. Some kinds of PM, like soot, are directly emitted into the air, but other kinds condense from gas-phase molecules. Like ozone, PM has both natural and anthropogenic ingredients.

Many factors govern the severity and timing of pollution episodes. An obvious factor is the magnitude of precursor emissions. But there are meteorological factors, like how stagnant the surface air is and whether it’s clear or cloudy, warm or cool. The summer of 1998, for example, saw a record number of ozone exceedances averaged over New England. That summer was also the warmest on record for that region. The hot summer that Europe endured in 2003 was also a summer of high pollution levels for that continent. But the cool summer in the U.S. that same year meant that the we saw low levels of pollution.

So how will pollution evolve over the coming decades as climate changes? The easy answer is: oh, the warmer temperatures mean greater pollution! But it’s more complicated than that. Then there are other meteorological factors to consider. As the surface temperatures rise, will the depth of the boundary layer increase, diluting the pollutants within it? Maybe stronger surface winds will carry all the pollution away. What about changes in cloud cover or rainfall?

To tackle issues of this complexity, modelers often turn to sensitivity studies. A sensitivity study is one in which you change just one or two variables, and keep everything else constant. By taking the problem apart in this way, you can isolate the effect of one or two factors at a time.

In one sensitivity study, Aw and Kleeman [2003] imposed a 5ºC increase in temperature over the Los Angeles basin, but kept all other meteorological variables (like windspeed) constant in their model. Ozone in the region increased by 10-15%, but concentrations of sulfate-ammonia-nitrate PM decreased by 10-15%. That’s because ammonia condenses less readily at high temperatures. This is an interesting result. But in the real world, stalled high pressure systems, like the one over the Midwest and Northeast last week (April 18-20), can lead to both warm temperatures and high PM. With clear skies and weak winds, PM can accumulate over the source regions. As the climate changes, not only could temperatures change, but also the behavior of these high pressure systems.

In my research group, we tried a different sensitivity study [Mickley et al., 2004]. We devised our model experiment to test just the effect of changing wind patterns on pollutant concentrations. What we found was that the severity summertime regional pollution episodes in the Midwest and Northeast U.S. increased significantly by 2050, relative to present. Also, the average length of an episode increased from 2 to 3-4 days. Why did this happen? Our model forecast a 20% decline in the frequency of cold fronts sweeping into the U.S., so stagnation events in the model persisted longer. That allowed both gas-phase and PM pollution to build to higher concentrations.

Another model study [Hogrefe et al., 2004] focused on the effect of climate change on just surface ozone. The authors found that even with emissions of ozone precursors in the model held at 1990s levels, the total number of “exceedance days” increased by about 60% over the eastern U.S. (An exceedance day is a day in which ozone averaged over 8 hours exceeds the EPA threshold of 84 ppb.) Because of the complexity of the study, Hogrefe et al. [2004] could not diagnose precisely all the meteorological changes (temperature? circulation patterns?) contributing to the increased surface ozone in their model. But they did find that one factor accounting for about half the increase was enhanced emissions of natural ozone precursors, which are temperature-sensitive.

One of the biggest unknowns, of course, is how anthropogenic emissions will evolve in the future. The Clean Air Act has led to tremendous improvements in air quality since the 1970s. But even if our emissions do decline, the consequences for air pollution are uncertain. Fiore et al. [2002] have shown that decreases in U.S. emissions may be offset by increases elsewhere in the world. Specifically, rising methane emissions elsewhere in the world could significantly enhance background levels of ozone over the U.S., leading to as much pollution in 2030 as we saw in the mid-1990s.

So there’s a lot more to be learned about the links between climate and pollution. Since both surface ozone and PM have adverse effects on human health, understanding the link is important.

References:

Aw, J., and M.J. Kleeman, Evaluating the first-order effect of intraannual air pollution on urban air pollution, J. Geophys. Res., 108, 4365, 10.1029/2002JD002688, 2003.

Fiore, A.M., D.J. Jacob, B.D. Field, D.G. Streets, S.D. Fernandes, and C. Jang, Linking ozone pollution and climate change: The case for controlling methane, Geophys. Res. Lett., 29, 1919, doi:10.1029/2002GL015601, 2002.

Hogrefe, C., B. Lynn, K. Civerolo, J.-Y. Ku, J. Rosenthal, C. Rosenzweig, S. Gaffin, K. Knowlton, and P.L. Kinney, Simulating changes in regional air pollution over the eastern United States due to changes in global and regional climate and emissions. J. Geophys. Res., 109, D22301, doi:10.1029/2004JD004690, 2004.

Mickley, L. J., D. J. Jacob, B. D. Field, and D. Rind, Effects of future climate change on regional air pollution episodes in the United States, Geophys. Res. Let., 30, L24103, doi:10.1029/2004GL021216, 2004.

Récemment, le National Resource Defense Council (NRDC) a publié un Heat Advisory, un rapport mettant en garde sur le fait que la qualité de l’air ambiant pourrait largement souffrir des changements climatiques. En réponse, un groupe appelé le Pacific Research Institute (PRI), en association avec un autre groupe appelé United for Jobs, a publié le Air Quality False Alarm, critique détaillée des prévisions du NRDC. Le PRI soutient, entre autres, que les émissions anthropogéniques aux USA diminueront fortement dans les décennies à venir. De leur point de vue, la pollution de l’air ne sera plus qu’un souvenir, quelle que soit l’évolution du climat.
Où en sommes-nous en fait ?
Tout d’abord, voyons quelques notions de base concernant l’ozone et les matières particulaires (MP), deux composants essentiels du « smog ». La formation de l’ozone de surface est provoquée par le mélange de précurseurs naturels et anthropogéniques comme les oxydes d’azote et les composés organiques volatils. On possède des mesures de l’ozone de surface remontant à la fin du 19e siècle qui prouvent que la concentration atmosphérique de l’ozone a été multipliée par 2 à 5 dans certaines régions, en raison des émissions de précurseurs d’ozone par les voitures, l’industrie et les centrales de production d’énergie. Les MP peuvent être de plusieurs types : carbone organique, suies, et sulfonitrates d’ammonium. Certains types de MP comme les suies sont directement émises dans l’air, mais d’autres types proviennent de la condensation de molécules gazeuses. Comme l’ozone, les MP sont formées à partir d’ingrédients à la fois naturels et anthropogéniques.
De nombreux facteurs gouvernent la sévérité et la durée des épisodes de pollution. Un facteur évident est l’importance des émissions de précurseurs. Mais, il y a des facteurs météorologiques comme les propriétés de l’air de surface : le fait qu’il soit stagnant, clair ou nuageux, chaud ou froid. Par exemple, l’été 1998 a vu un record du nombre de pics d’ ozone sur la Nouvelle Angleterre. Cet été-là battit aussi le record de chaleur de la région. L’été chaud que l’Europe a subi en 2003 a aussi été un été présentant un haut niveau de pollution pour le continent. Ce même été fut frais aux USA , avec un niveau de pollution bas.
Ainsi, quelle sera l’évolution de la pollution résultant des changement climatiques des prochaines décennies ? Une réponse simple serait : des températures plus élevées signifieront un degré de pollution plus élevé ! C’est en réalité un peu plus compliqué. Il y a en effet d’autres facteurs météorologiques à considérer. Avec l’accroissement de la température de surface, est-ce que l’épaisseur de la couche limite va augmenter, diluant de ce fait les polluants ? Peut-être que les vents de surface plus forts chasseront toute la pollution Quels changements de la couverture nuageuse et des précipitations va-t-on observer ?
Pour venir à bout des problèmes posés par cette complexité, les expérimentateurs de modèles se tournent vers les études de sensibilité. Une étude de sensibilité consiste à changer seulement une ou deux variables et à garder tout le reste constant. Cette méthode de résolution permet d’isoler les effets d’un seul ou de deux facteurs à la fois.
Dans une étude de sensibilité, Aw et Kleemann (2003) ont imposé un accroissement de 5°C sur le bassin de Los Angeles, mais ont gardé constantes toutes les autres variables météorologiques (comme la vitesse du vent) dans leur modèle. L’ozone dans la région s’est accru de 10 – 15 %, mais la concentration des MP de sulfonitrate d’ammonium a décru de 10-15 %. Cela parce que l’ammoniac se condense moins rapidement à plus haute température. C’est un résultat intéressant. Mais, dans le monde réel, les systèmes de hautes températures stables comme celui qui s’était établi sur le Midwest et le Northeast la semaine dernière (18-20 avril) peuvent conduire à la fois à des températures élevées et des hautes teneurs en MP. Sous l’influence de ciels clairs et de vents faibles, les MP peuvent s’accumuler au-dessus des régions sources. Sous l’effet des changements climatiques, non seulement les températures peuvent changer, mais aussi le comportement de ces systèmes de hautes pressions.
Dans mon groupe de recherche, nous avons essayé une étude de sensibilité différente [Mickley et al., 2004]. Nous avons conçu notre modèle afin de tester uniquement l’effet du changement des vents sur la concentration des polluants. Nous avons trouvé que la sévérité des épisodes de pollution régionale dans le Midwest et le Northeast augmentait significativement autour de 2050, par rapport aux valeurs actuelles. Nous avons trouvé également que la durée moyenne d’un épisode passait de 2 à 3-4 jours. Que s’est-il passé ? Notre modèle prévoit une baisse de 20 % de la fréquence des fronts froids balayant les USA, ce qui fait que les périodes de stagnation dans le modèle persistent plus longtemps. Ce qui permet à la pollution issue de phases gazeuses et de MP d’atteindre des concentrations plus élevées.
Une autre étude de modèle [Hogrefe et al., 2004] s’est concentrée sur les effets des changement climatique sur l’ozone de surface. Les auteurs ont trouvé que même avec des émissions de précurseurs d’ozone maintenues à leur niveau des années 1990, le nombre total des « jours de dépassement » augmentait d’environ 60 % sur l’est des USA. (un « jour de dépassement » est un jour où la moyenne du taux d’ozone dépasse le seuil de l’EPA (84 ppb) pendant 8 heures). En raison de la complexité de l’étude, Hogrefe et al. [2004] n’ont pas pu déterminer précisément tous les changements météorologiques (température ? modèle de circulation ?) ayant une influence sur l’ozone de surface de leur modèle. Mais, ils ont trouvé qu’un facteur contribuant pour environ la moitié de l’accroissement était l’augmentation des émissions des précurseurs naturels de l’ozone, qui sont sensibles à la température.
Une des plus grandes inconnues reste, évidemment, l’évolution future des émissions anthropogéniques. La loi sur la propreté de l’air (Clean Air Act) a amené des améliorations très importantes de la qualité de l’air depuis les années 1970. Mais, même si nos émissions doivent diminuer, les conséquences sur la pollution de l’air restent incertaines. Fiore et al. [2002] ont montré que la diminution des émissions américaines pourraient être annulées par des augmentations ailleurs dans le monde.
Plus précisément, l’augmentation des émissions de méthane ailleurs dans le monde pourrait accroître les niveaux de base d’ozone sur les USA, conduisant à une pollution en 2030 analogue à celle que nous avons vue dans les années 1990.
Il y a donc encore beaucoup à apprendre sur les liens entre le climat et la pollution.
Comme l’ozone de surface et les MP ont des effets négatifs sur la santé humaine, il est important de connaître ces liens.

References:

Aw, J., and M.J. Kleeman, Evaluating the first-order effect of intraannual air pollution on urban air pollution, J. Geophys. Res., 108, 4365, 10.1029/2002JD002688, 2003.

Fiore, A.M., D.J. Jacob, B.D. Field, D.G. Streets, S.D. Fernandes, and C. Jang, Linking ozone pollution and climate change: The case for controlling methane, Geophys. Res. Lett., 29, 1919, doi:10.1029/2002GL015601, 2002.

Hogrefe, C., B. Lynn, K. Civerolo, J.-Y. Ku, J. Rosenthal, C. Rosenzweig, S. Gaffin, K. Knowlton, and P.L. Kinney, Simulating changes in regional air pollution over the eastern United States due to changes in global and regional climate and emissions. J. Geophys. Res., 109, D22301, doi:10.1029/2004JD004690, 2004.

Mickley, L. J., D. J. Jacob, B. D. Field, and D. Rind, Effects of future climate change on regional air pollution episodes in the United States, Geophys. Res. Let., 30, L24103, doi:10.1029/2004GL021216, 2004.