Intégration des données sur le monoxyde de carbone : Inventaire national des rejets de polluants et Agence Spatiale Canadienne

Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz toxique incolore, inodore et insipide. Il est indétectable par l’humain.

La production de CO dans l’atmosphère est le résultat d’une combustion incomplète de carburants à base de composés organiques, c’est-à-dire les hydrocarbures, tels que le bois, l’huile, l’essence, le charbon, le gaz naturel et le propane. Le CO n’est pas seulement produit par les installations industrielles et commerciales, il est aussi rejeté par les véhicules, les feux de forêt et le chauffage. Il résulte également de réactions chimiques dans l’atmosphère en provenance de sources d’émissions naturelles, telles les plantes.

Depuis 2002, le gouvernement du Canada fait le suivi des rejets de CO des installations industrielles et commerciales par le biais de l’Inventaire national des rejets de polluants (INRP). Les installations canadiennes doivent déclarer à l’INRP leurs rejets de CO dans l’air si le seuil de déclaration de 20 tonnes de rejets annuel est dépassé.

Depuis 1999, l’Agence spatiale canadienne, en collaboration avec la National Aeronautics and Space Administration (NASA), mesure les concentrations de CO dans l’atmosphère pour l’ensemble de la Terre avec un instrument de mesure de la pollution dans la troposphère (MOPITT) développé par l’Université de Toronto.

Cette intégration des données sur le CO illustre comment les données de l’INRP peuvent être utilisées avec les concentrations mesurées par l’Agence spatiale canadienne et la NASA afin d’identifier les points chauds à l’échelle du Canada.

Les données spatiales sont issues d’une collaboration mondiale, ce qui permet de les partager ouvertement. Elles soutiennent les décisions régionales et mondiales en communiquant des faits et des données qui apportent un point de vue global sur la pollution. Ces données spatiales sont utilisées quotidiennement par divers paliers gouvernementaux et l’industrie dans le but d’obtenir de l’information sur des sujets tels que :

• les effets des changements climatiques
• la hausse du niveau des océans
• la protection des forêts
• les prévisions météorologiques

Mesurer le monoxyde de carbone

Le CO est un polluant d’intérêt vu son effet significatif sur la santé. Lorsque respiré, il pénètre rapidement dans le sang et il empêche les globules rouges de transporter l’oxygène à travers le corps. Les personnes atteintes de troubles cardiaques ou respiratoires, les enfants et les personnes âgées sont les plus vulnérables aux intoxications de CO. En faible concentration, le CO peut causer de la fatigue, des nausées, de l’essoufflement et des maux de tête. En concentration moyenne, les symptômes peuvent inclurent une perte des fonctions motrices, comme la faiblesse musculaire et une perte de fonction d’un ou de plusieurs membres du corps. En forte concentration, le CO peut causer une mauvaise vision, des étourdissements, une difficulté à réfléchir et des douleurs à la poitrine. En très forte concentration, il peut provoquer des convulsions, le coma et la mort. Santé Canada a établi des lignes directrices pour le CO au-dessous desquelles il n’y a pas d’effets sur la santé humaine.

Le CO a des impacts significatifs lorsqu’il est rejeté dans l’atmosphère. De ce fait, une augmentation du CO accroît la durée de vie et le potentiel de gaz à effet de serre du méthane atmosphérique. Le CO contribue également à la formation d’ozone et se transforme en dioxyde de carbone (CO₂)le plus important des gaz à effet de serre. En raison de ces conséquences, les émissions de CO ont un forçage radiatif significatif, c’est-à-dire qu’elles contribuent au réchauffement de la planète, bien que le CO lui-même ne soit pas un gaz à effet de serre.

Le CO est privilégié pour les mesures dans l’espace (disponible en anglais seulement) en raison de sa durée de vie de quelques semaines. Il constitue un traceur utile pour les études de dispersion de la pollution et des processus atmosphériques puisque les zones présentant des quantités élevées de CO indiquent la présence d’autres gaz polluants d’intérêts, qui ne sont peu ou pas mesurés, tel le benzène.

Bien que le CO n’a pas d’effet direct sur la température de la planète, il joue un grand rôle (disponible en anglais seulement) dans la chimie de la basse atmosphère, c’est-à-dire la troposphère, en affectant la capacité de l’atmosphère à éliminer d’autres gaz polluants. En combinaison avec d’autres polluants gazeux et les rayons du soleil, le CO participe également à la formation d’ozone troposphérique et du smog urbain. C’est pourquoi le CO est un polluant indicateur de la qualité de l’air ambiant.

MOPITT : un instrument de mesure de monoxyde de carbone mondial

L’instrument MOPITT (disponible en anglais seulement) est l’un des cinq appareils lancés le 18 décembre 1999 à bord de Terra (disponible en anglais seulement), un satellite de la NASA en orbite à 705 kilomètres au-dessus de la Terre.

Une équipe canadienne a construit et opère l’instrument MOPITT, alors qu’une équipe états-unienne développe les algorithmes de traitement des données brutes et fournit les ensembles de données utilisées par des chercheurs internationaux.

L’instrument MOPITT, qui est un satellite de la taille d’un autobus scolaire, balaie continuellement l’atmosphère terrestre pour recueillir des mesures des concentrations de CO dans le but d’étudier la pollution environnementale et les tendances à long terme.

Depuis 2000, les cartes interactives de la NASA (disponible en anglais seulement) permettent d’observer la répartition des concentrations de CO de la colonne totale en partie par milliard en volume (ppbv) à l’échelle de la planète. Les mesures de l’instrument MOPITT démontrent comment la pollution émise sur un continent peut voyager d’un océan à l’autre et avoir des effets sur la qualité de l’air à des milliers de kilomètres ailleurs dans le monde. Ce transport mondial de la pollution fait en sorte que les concentrations mesurées au Canada ne sont pas entièrement liées aux sources canadiennes d’émissions.

Carte des concentrations moyennes de CO sur quatre ans en ppbv

Information sur les limitations de l’instrument MOPITT

Il est essentiel d’identifier les limites et les considérations de tout instrument scientifique qui mesure les gaz à l’état de traces dans l’atmosphère. Lors de l’utilisation de l’instrument MOPITT, il faut savoir que :  

• L’instrument MOPITT ne peut pas mesurer partout en raison de la couverture nuageuse et ne peut sonder qu’un seul endroit à la fois. Une image globale doit donc être construite sur plusieurs jours.
• L’instrument MOPITT mesure les couches de CO dans l’atmosphère et non spécifiquement à la surface. Il est donc ardu de comparer directement ces données aux mesures effectuées en surface.
• La résolution de chaque unité de mesure est d’environ 22 kilomètres x 22 kilomètres à la surface. Cela signifie que l’instrument MOPITT ne peut pas mesurer des zones de plus petite taille alors que les instruments d’air ambiant mesurent généralement un seul point.

Ces limites et considérations ne sont pas spécifiques à l’instrument MOPITT. Elles sont similaires pour tous les instruments basés dans l’espace. Dans le but de diminuer ces limitations, l’équipe scientifique de l’instrument MOPITT améliore continuellement les produits de données qui en résultent depuis les deux dernières décennies.

Déclaration de monoxyde de carbone à l’INRP

La carte ci-dessous illustre les quantités de CO en tonnes déclarés à l’INRP par les installations canadiennes en 2018. Nous remarquons que les plus grandes quantités de rejets sont situées dans le sud de la Colombie-Britannique, de l’Alberta, de l’Ontario et à l’est du Québec.

Comme illustré dans le graphique ci-dessous, la répartition des rejets de CO déclarés à l’INRP en 2018 était de 44% pour le Québec, 25% pour l’Alberta, 12% pour la Colombie-Britannique et 8% pour l’Ontario.

Toutefois, c’est l’Alberta qui compte le plus d’installations déclarantes (54%), suivie par la Saskatchewan (14%) et la Colombie-Britannique (11%).

Dans le graphique ci-dessous, nous observons que, depuis 2002, les quantités de CO déclarées à l’INRP sont en augmentation. Le nombre d’installations déclarantes était assez stable jusqu’en 2017 où elles ont augmenté de façon significative, ce qui pourrait expliquer la hausse des rejets de CO cette même année. Six installations de production d’aluminium étaient responsables de 37% des rejets totaux de CO en 2017.

En 2018, le secteur industriel de l’aluminium représentait à lui seul 45% des rejets totaux de CO déclarés à l’INRP, suivi par le secteur d’extraction de pétrole et de gaz par des méthodes non classiques (19%), ainsi que le secteur des pâtes et papiers (10%).

Mesure du monoxyde de carbone par l’instrument MOPITT en surface

L’instrument MOPITT prend des mesures de CO quotidiennement. Pour les besoins de la présente intégration de données, des moyennes mensuelles pour l’année ont été calculées pour cartographier les concentrations au Canada.

La carte ci-dessous illustre les concentrations de CO moyennes totales mesurées en 2018 pour la pollution de basse altitude, soit en surface^{Note de bas de page 1} . La répartition par concentration et par province permet de voir que les concentrations sont plus élevées au sud et à l’est du pays. Le nord-ouest de la Colombie-Britannique, l’ouest de l’Alberta et le nord du Canada présentent des concentrations plus faibles. Cela pourrait être expliqué par les vents dominants de l’hémisphère nord qui sont déviés vers l’est ou encore par des nuages persistant dans ces régions.

Nous remarquons que les concentrations les plus élevées, identifiées en bleu foncé, sont situées majoritairement à proximité des grandes villes canadiennes, telles Toronto, Vancouver et Montréal. La plus haute moyenne de concentration mesurée en 2018 était de 334 molécules/centimètre² au lac St.Clair en Ontario, suivi par le lac Érié (301), la ville de Waterloo (283), le lac Huron (279) et la ville de Hawkesbury (276).

La carte ci-dessous superpose les quantités de rejets déclarés à l’INRP en 2018 aux données de concentration mesurées par l’instrument MOPITT. Nous observons que les zones avec les plus grands rejets de CO déclarés à l’INRP correspondent avec les mesures MOPITT les plus élevées.

La province de l’Alberta présente les quantités de CO les plus élevées et le plus d’installations déclarantes à l’INRP. Les mesures MOPITT y sont aussi élevées, mais c’est le corridor Windsor-Québec qui possède les plus hautes concentrations de CO mesurées en 2018 et les plus grandes quantités de CO déclarées à l’INRP. Cela s’explique par le fait que cette région est la plus densément peuplée et la plus industrialisée du Canada, sans compter que le secteur du transport y est actif pour les automobiles, les trains, les avions et les bateaux.

Selon les calculs des Indicateurs canadiens de durabilité de l’environnement (ICDE), les quantités déclarées à l’INRP représenteraient 15% de toutes les émissions de CO au Canada.

Selon le graphique de l’ICDE ci-dessous, les émissions de CO serait en diminution depuis 1990 et générées en grande partie par le secteur du transport. Cela pourrait expliquer pourquoi des zones présentent des concentrations élevées de CO, alors qu’il n’y a que très peu ou pas d’émissions de CO déclarés à l’INRP.

Mesures MOPITT dans les autres couches de la troposphère

Le schéma ci-dessous, montre que l’atmosphère de la Terre est divisée en cinq couches:

• la troposphère
• la stratosphère
• la mésosphère
• la thermosphère
• l’exosphère

L’instrument MOPITT prend des mesures dans la première couche de l’atmosphère, c’est-à-dire la troposphère, à différentes hauteurs et niveaux de pression mesurés en hectopascal (hPa). Il mesure les concentrations de CO allant de 100 hPa à 900 hPa. Plus le niveau de pression atmosphérique est élevé, plus les mesures approchent la surface.

À titre comparatif, ces mesures représentent approximativement les quinze premiers kilomètres de l’atmosphère de la Terre, alors que le Mont Everest fait 8,850 kilomètres d’altitude et les avions volent entre 9,2 et 12,2 kilomètres.

Les mesures de CO sont, entre autres, aussi influencées par les conditions météorologiques, la vitesse et la direction du vent. Plus les mesures sont dans la haute troposphère, plus il y a de chance d’avoir des gaz et des aérosols qui ont voyagé d’ailleurs sur la Terre.

La carte ci-dessous, montre les mesures de CO en 2018 à 200 hPa, soit dans plus haute couche de la troposphère. Nous constatons que les mesures générales sont moins élevées puisqu’elles sont plus en altitude, donc plus éloignées des sources d’émissions et plus uniformes à travers le pays.

La carte ci-dessous illustre les concentrations mesurées à 600 hPa. Les concentrations mesurées par l’instrument MOPITT sont alors plus élevées, principalement dans le nord du Québec, de l’Ontario, de l’Alberta et de Terre-Neuve-et-Labrador.

La carte ci-dessous illustre les concentrations mesurées à 900 hPa, soit près de la surface. Les plus hautes concentrations mesurées sont entre 200 et 248 parties de milliard en volume. Ces mesures sont surtout en Alberta, en Saskatchewan et au Québec, avec très peu de concentrations mesurées en Colombie-Britannique et au nord du pays. Les faibles concentrations mesurées en Colombie-Britannique sont en lien avec la présence des Rocheuses et non parce qu’il n’y a pas de CO.

Mesures gouvernementales et prévention de la pollution

Le gouvernement du Canada, ainsi que les gouvernements provinciaux et territoriaux, présentent un grand nombre d’informations quant à la prévention des intoxications au CO pour la qualité de l’air intérieur.

Bien que le CO ne figure pas dans la Liste des substances toxiques, soit l’annexe 1 de la Loi canadienne sur la protection de l’environnement, elle fixe des limites de CO pour les gaz de pétrole et de raffineries.

Conformément à l’Accord sur la qualité de l’air Canada-États-Unis et au US Clean Air Act (disponible en anglais seulement), la US Environmental Protection Agency (disponible en anglais seulement) doit revoir, tous les cinq ans, les données sur lesquelles les Normes nationales de qualité de l’air ambiant (disponible en anglais seulement) pour les six principaux contaminants atmosphériques sont basées. La norme pour le CO, qui ne doit pas être dépassée plus d’une fois par an, est de 9 ppm pour huit heures et 35 ppm pour une heure.

Des barèmes sont aussi définis par des ministères fédéraux et organismes internationaux, tels que l’Organisation mondiale de la Santé. Certains gouvernements provinciaux et territoriaux émettent également des normes de qualité de l’atmosphère, tel le Québec:

•  Le Règlement sur la qualité de l’atmosphère fixe des normes de qualité de l’atmosphère pour le CO avec une valeur limite de 0-30 ppm de moyenne sur une heure et de treize ppm comme moyenne sur huit heures
• Le Règlement sur l’assainissement de l’atmosphère fixe des valeurs limites de CO pour différents équipements industriels

En Ontario, le critère de qualité de l’air ambiant est fixé à 30 parties par million (ppm) pour une moyenne de concentration sur une heure. Le CO est aussi intégré dans la Cote air santé de cette province. L’Alberta (disponible en anglais seulement) possède aussi un bulletin d’information à propos des sources de CO sur les lieux de travail et les effets sur la santé pour informer ses citoyens des risques et des limites d’exposition.

Plus d’information sur le monoxyde de carbone

Pour effectuer vos propres analyses sur le CO ou au sujet d’autres substances ou secteurs suivis par l’INRP, vous pouvez télécharger gratuitement les ensembles de données de l’INRP qui contiennent les quantités de polluants déclarées depuis 1994. L’accès aux données de l’Agence spatiale canadienne est lui aussi gratuit.

L’accès aux ensembles de données les plus récents de la NASA sur le CO sont disponibles par le biais du Centre de données des sciences atmosphériques de la NASA (disponible uniquement en anglais). Pour plus d’information sur le satellite Terra de la NASA et l’instrument MOPITT, visitez la page internet de la mission (disponible en anglais seulement).

Vous pouvez également effectuer des recherches afin de découvrir les rejets de CO dans votre communauté en inscrivant votre code postal sur le site de recherche en ligne de l’INRP ou en consultant les cartes de l’INRP. Des aperçus et des intégrations de données sont aussi disponibles pour de nombreux autres substances et secteurs faisant rapport à l’INRP.