Combustion résidentielle du bois, projet d'échantillonnage des matières particulaires (MP2,5), Whitehorse : chapitre 3

• 3.1 Météorologie
• 3.2 PM_2.5 Resultats
  • 3.2.1 MP_2,5 mesurées
  • 3.2.2 MP_2,5 modélisées
• 3.3 Répartition des sources de MP_2.5
  • 3.3.1 Marqueurs de la fumée de bois
  • 3.3.2 Carbone noir de l'aethalomètre
• 3.4 Analyse des épisodes

3. Résultats et discussion

3.1 Météorologie

Les données météorologiques recueillies durant la période d'étude sont indiquées dans les figures 3 et 4(a, b, c). Les températures sont demeurées en dessous du gel pour la majorité de la campagne d'échantillonnage, avec une moyenne de -12 °C aux deux sites. Les températures moyennes à l'aéroport étaient de -18,2 °C, -16 °C et -9,9 °C pour les mois de janvier, février et mars, respectivement. Cet hiver était donc légèrement plus froid que la période de 30 ans de 1971 à 2000 (-17,7 °C, -13,7 °C et -6,6 °C pour les mois de janvier, février et mars, respectivement).

Les roses des vents indiquent une répartition similaire des directions du vent aux deux sites d'échantillonnage, avec des vents suivant généralement la topographie de la vallée du fleuve Yukon. Le site du centre-ville avait une plus grande fréquence de vents plus violents que Riverdale, plus abritée par l'escarpement. Le centre-ville, dont les vents soufflent principalement au sud et, dans une moindre mesure au sud-ouest, pourrait être touché par les émissions de Riverdale. De la même manière, Riverdale, où le vent souffle le plus au nord-ouest et au nord nord-ouest pourrait être touché par les émissions du centre-ville. L'aéroport de Whitehorse subit une distribution vectorielle des vents similaire au site du centre-ville, mais avec une plus grande prédominance de vents venant du sud. Ce site, situé en haut de l'escarpement, n'est pas autant touché par la topographie locale.

3.2 Résultats des MP_2,5

3.2.1 MP_2,5 mesurées

Tous les résultats des concentrations de MP_2,5 et de carbone organique/élémentaire sont indiqués dans le tableau 1. Plusieurs échantillonnages ont été ratés ou ont dû être éliminés en raison des conditions météorologiques peu clémentes et des problèmes d'échantillonneurs. Les concentrations moyennes et médianes étaient de 7,7 µg/m³ et 6,4 µg/m³ (n = 18), ainsi que de 10,2 µg/m³ et 7,1 µg/m³(n = 12) dans les sites du centre-ville et de Riverdale, respectivement. Les concentrations plus élevées à Riverdale sont probablement dues à des vitesses du vent plus basses et probablement à la plus grande proximité aux sources de fumée de bois, même si un tel inventaire détaillé des émissions n'a pas été entrepris dans le cadre de cette étude. Une reconstruction partielle des masses de MP_2,5 au site de Riverdale indique qu'en moyenne (n=12), le carbone constituait la base de la masse des MP_2,5, que le carbone organique contribuait à 55 % et le carbone élémentaire à 7 %. Les 38 % restants étaient constitués d'atomes associés au carbone organique et d'espèces inorganiques.

Dans l'ensemble, les concentrations de MP_2,5variaient de 1,6 µg/m³ à un maximum de 31,3 µg/m³ (Riverdale, le 11 février). La ville de Whitehorse ou le territoire du Yukon n'ont pas de normes de qualité de l'air ou d'objectifs en place pour les MP_2,5. Le standard pancanadien relatif à la moyenne des MP_2,5 sur 24 heures est de 30 µg/m³ d'après le 98^e percentile, dont la moyenne est établie sur trois années consécutives, tandis que la Colombie-Britannique a établi un objectif pour la moyenne des MP_2,5 sur 24 heures de 25 µg/m³ et un objectif pour la moyenne annuelle de 8 µg/m³ À titre de comparaison, les concentrations moyennes de MP_2,5 de janvier à mars pour une sélection de villes et villages intérieurs de la Colombie-Britannique sont indiquées dans le tableau 2.

Les résultats de cette étude pour les MP_2,5 sont supérieurs à ceux que l'on retrouve habituellement sur le site du Réseau national de surveillance de la pollution atmosphérique de Whitehorse au cours de la période allant de janvier à mars (se reporter à la figure 1). Une comparaison entre les mesures des MP_2,5 prises dans le centre-ville (filtres) avec le site national de surveillance de la pollution atmosphérique (TEOM) a été effectuée pour les 9 jours d'échantillonnage où des données simultanées étaient disponibles (figure 5). La corrélation est faible et l'échantillonneur à filtre indique une mesure généralement plus élevée. Il est difficile de tirer des conclusions d'après un faible ensemble de données; toutefois, les différents emplacements constituent probablement un facteur (se reporter à la figure 2). Dans le centre-ville, la station nationale de surveillance de la pollution atmosphérique est adjacente au fleuve et peut permettre de prélever des échantillons plus propres acheminés vers le fleuve relatifs au site du centre-ville, qui était situé à environ 500 m. Un facteur causatif supplémentaire pourrait être que les appareils de surveillance continue par balance microélectronique indiquent des mesures inférieures aux échantillonneurs à filtre dans des endroits où les hivers sont froids en raison de la perte de matières particulaires volatiles (Allen et al., 1997; Dann et al., 2006). Parallèlement, la station nationale de surveillance de la pollution atmosphérique sera déplacée vers un nouveau site du centre-ville en 2011, à un bâtiment de l'annexe de Wood Street.

3.2.2 MP_2,5 modélisées

Pour estimer la moyenne sur 24 heures des concentrations de MP_2,5 tout au long de la période d'échantillonnage, une régression linéaire simple a été utilisée afin d'établir un lien entre les données moyennes sur le carbone noir sur 24 heures (mesurées avec l'aethalomètre à Riverdale) et les concentrations de MP_2,5 moyennes quotidiennes dans les deux sites (figures 6 a) et 6 b)). Une valeur aberrante (pour laquelle la variance résiduelle standard était supérieure à 2σ) a été supprimée pour chaque régression. Les régressions correspondent bien aux valeurs r² de 0,93 et à de valeurs prédictives très faibles statistiquement significatives pour le centre-ville et Riverdale.

Si l'on suppose une relation linéaire uniforme entre le carbone noir et les MP_2,5 de Riverdale aux deux sites tout au long de la période de l'étude et dans la gamme de carbone noir mesurée, les concentrations moyennes quotidiennes de MP_2,5 peuvent être prédites à partir de la régression linéaire, du 27 janvier au 31 mars. Les valeurs prédites et associées à un intervalle de confiance de 95 %, ainsi que les valeurs observées sont indiquées dans la figure 7. On peut voir que durant cinq jours à Riverdale, les MP_2,5 devaient dépasser la valeur du standard pancanadien, qu'elles ont toutes eu lieu durant une période de neuf jours en février, avec une concentration maximale prédite de MP_2,5 de 41,7 µg/m³ (IC de 95 % = 33,1 à 47,4) le 13 février. Au site du centre-ville, on prévoyait que le maximum serait de 25,4 µg/m³ (IC de 95 % = 22,5 à 28,3), également le 13 février.

3.3 Répartition des sources de MP_2,5

3.3.1 Marqueurs de la fumée de bois

Tous les résultats du lévoglucosane et du ¹⁴C sont indiqués dans le tableau 3. Les concentrations moyennes de lévoglucosane étaient de 453 et 754 ng/m³ au centre-ville et à Riverdale, respectivement, mais variaient considérablement d'un échantillon à l'autre, car la concentration de MP_2,5 variait grandement tout au long de l'étude. Les rapports (% p/p) entre le lévoglucosane et les MP_2,5 étaient de 4,7 ± 1,6 et de 6,0 ± 2,4 (écart-type moyen) dans le centre-ville et à Riverdale, respectivement, indiquant ainsi une contribution de la fumée de bois légèrement plus élevée à Riverdale. À noter que pour obtenir plus de données afin de calculer les ratios, les filtres endommagés ont été inclus, en supposant que le ratio entre la masse de MP_2,5 et la masse de lévoglucosane ne serait pas touché. Les corrélations entre la masse de lévoglucosane et la masse des MP_2,5 aux deux sites sont indiquées dans la figure 8. Une plus forte corrélation pour le site de Riverdale (r² = 0,96) indique qu'il y a une variabilité plus faible de la contribution de la source à cet endroit par rapport au site du centre-ville (r² = 0,86) qui devrait avoir une contribution plus importante en raison de la circulation et du chauffage des bâtiments commerciaux.

Les résultats relatifs à la fraction de carbone moderne (f_m) tels qu'ils sont déterminés par la University of Arizona Accelerator Mass Spectrometry Facility sont indiqués dans le tableau 3. En raison des incertitudes élevées liées à des apports de polluants faibles dans les filtres, les filtres des échantillons ayant moins de 100 µg de carbone n'ont pas été inclus. Bien qu'il puisse y avoir plusieurs sources de particules de carbone moderne en plus de la fumée de bois, telles que la cuisson, la fumée de cigarette et les aérosols biosynthétiques secondaires, on peut supposer que les deux premiers sont négligeables par rapport à la fumée de bois à Whitehorse. Le rapport moyen entre le carbone organique et le carbone élémentaire était de 8,9 dans cette étude, ce qui indique que des matières organiques secondaires étaient présentes (Ward et al., 2006); cependant, on peut raisonnablement supposer qu'à des températures typiques de la période d'échantillonnage, la contribution biosynthétique à la formation d'aérosols secondaires est faible. Il existe néanmoins une incertitude associée à l'utilisation de la méthode du ¹⁴C pour la répartition des sources; il s'agit du besoin de déterminer la fraction théorique de carbone moderne devant être présente dans le bois normalement brûlé à Whitehorse. Les concentrations de ¹⁴C dans l'atmosphère ont varié au cours du temps, avec un pic en 1965 dû aux essais nucléaires et un déclin subséquent (Ward et al., 2006). La fraction de carbone moderne présente dans les arbres, qui absorbent le ¹⁴C grâce à la respiration de CO₂, dépendra donc de l'âge du bois. Afin de calculer la contribution de la fumée de bois indiquée dans le tableau 3, le laboratoire a utilisé les concentrations atmosphériques annuelles de ¹⁴C des dernières 130 années. Les pourcentages minimums et maximums de fumée de bois ont été déterminés à partir de calculs utilisant les valeurs atmosphériques moyennes de ¹⁴C pour les dernières 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120 et 130 années. Étant donné que l'âge du bois mort recueilli dans la zone sud des lacs pour du bois de combustion à Whitehorse varie entre 60 et 120 ans (K. Price, comm. pers., 15 janvier 2010), ce calcul devrait fournir une estimation raisonnable de la contribution de la fumée de bois pour cette étude. La contribution de la fumée de bois était comprise entre 61 % et 93 % avec une moyenne située entre 70 et 84 %. En hiver, à Whitehorse, la source prédominante de fumée de bois devrait être la combustion résidentielle du bois. Les seules autres sources de combustion du bois sont les chaudières industrielles/commerciales au bois; toutefois, ces appareils sont relativement peu nombreux et ne devraient pas être une source significative de fumée de bois par rapport à la combustion résidentielle du bois, en particulier à Riverdale.

Les résultats de cette étude sont relativement similaires aux études précédentes effectuées à Riverdale, dans lesquelles la modélisation du système de mesure des produits chimiques indiquait que la combustion résidentielle du bois constituait 90 % de la masse de particules; ces résultats ont été confirmés par une analyse au ¹⁴C, indiquant que près de la totalité du carbone aérosol provenait de sources modernes (McCandless, 1984). Les résultats sont également très proches du plus récent inventaire des émissions pour Whitehorse, qui estimait que 82 % des MP_2,5 étaient attribuables à la combustion du bois pour le chauffage (Senes, 2008), bien que l'on prévoit que ce nombre soit plus élevé pour la saison hivernale.

Le tableau 4 indique les résultats relatifs à la concentration de lévoglucosane et à la répartition des sources pour certaines études récentes effectuées dans l'ouest de l'Amérique du Nord. Les résultats de l'étude actuelle sont comparables aux résultats d'une étude effectuée à Golden, en Colombie-Britannique, qui déterminait la contribution de la combustion du bois aux MP_2,5 à l'aide d'une modélisation à factorisation de matrice positive. Les conditions de combustion du bois à Golden devraient être les mêmes que celles de Whitehorse. En outre, les études réalisées à Golden et à Prince George utilisaient le même laboratoire pour l'analyse du lévoglucosane que celui de l'étude actuelle, ce qui a permis de comparer directement les résultats.

3.3.2 Carbone noir de l'aethalomètre

Le carbone noir et les rayons ultraviolets d'aethalomètre moyens sur 5 minutes moins les données sur le carbone noir de Riverdale pendant la durée de l'étude sont indiqués dans la figure 9. Les concentrations de carbone noir variaient de 0 µg/m³ à 8,6 µg/m³, avec une moyenne de 0,9 µg/m³ et une médiane de 0,2 µg/m³. Les résultats du carbone noir correspondaient bien avec les résultats du carbone élémentaire sur filtre aux deux endroits (r² = 0,94). On peut observer que le rapport rayons ultraviolets et carbone noir est supérieur à 0 la plupart du temps, en particulier durant les pics de carbone noir, ce qui indique que le catalyseur des concentrations élevées de carbone noir est la fumée de bois. Les schémas de concentration diurne et hebdomadaires indiquent également une source de fumée de bois (figures 10 et 11). Le carbone noir diurne et les rayons ultraviolets/le carbone noir suivent un schéma typique du chauffage résidentiel avec des concentrations qui augmentent au petit matin, car les résidents démarrent leurs poêles à bois, diminuent de la fin de la matinée jusque dans l'après-midi, et augmentent une nouvelle fois en début de soirée. Les concentrations quotidiennes de carbone noir sont moins élevées le vendredi et le samedi, probablement parce que les résidents sont moins souvent chez eux pendant ces soirées. S’il y avait des répercussions importantes de la circulation à ce site, on pourrait s'attendre à ce que les concentrations du samedi et du dimanche soient plus faibles.

3.4 Analyse des épisodes

Les données météorologiques des cinq jours durant lesquels les concentrations de MP_2,5 sont les plus élevées, d'après les prévisions par modélisation par régression linéaire avec des données sur le carbone noir (section 3.2.2) à Riverdale sont résumées dans le tableau 5. Durant ces jours, les températures quotidiennes moyennes sont dans la moyenne ou bien en dessous de la moyenne et la vitesse moyenne quotidienne du vent est faible. Les hauteurs de mélange et l'indice de ventilation, calculés à l'aide de données générées d'après le modèle de prévision régional/modèle global environnemental d'Environnement Canada au moment des températures quotidiennes maximales, sont également faibles durant ces cinq jours, créant ainsi des conditions optimales pour l'accumulation de fumée de bois dans la région de Whitehorse (remarque : l'indice de ventilation est défini comme « Bas » de 0 à 33, « Correct » de 34 à 54 et « Haut » de 55 à 100). La contribution de la combustion résidentielle du bois à Riverdale déterminée durant deux de ces jours est plus élevée que la moyenne, ce qui indique encore une fois que cette source peut être un facteur important à l'origine de concentrations de MP_2,5 plus élevées.

Tout au long de cette étude, les conditions météorologiques ont été similaires pendant 14 jours, ce qui semble être propice à des MP_2,5 élevées (température moyenne quotidienne à YXY inférieure à 10 °C, vitesse du vent moyenne quotidienne à YXY inférieure à 1,5 m/s et ventilation basse à YXY). Les concentrations de carbone noir à Riverdale durant ces 14 jours étaient comprises entre 0,73 µg/m³ et 3,11 µg/m³, ce qui correspondait à des concentrations prévues de MP_2,5 de 10,3 µg/m³ (IC de 95  % = 7,0 à 10.8) à 41,7 µg/m³ (IC de 95  % = 33,1 à 47,4) à Riverdale et de 6,9 µg/m³ (IC de 95  % = 6,0 à 7,8) à 25,4 µg/m³ (IC de 95  % = 22,5 à 28,3) au centre-ville. Pour les mois de janvier, février et mars, ces conditions météorologiques étaient satisfaites pendant 24  jours, par rapport à 12 jours durant la même période en 2008 et 7 jours durant la même période en 2010.

Les figures 12a, b, c, d, et e indiquent les cartes des conditions en surface dans le nord de l'ouest du Canada et les observations de températures à l'aéroport de Whitehorse (YXY) à 16 h (heure locale) durant les 5 jours indiqués dans le tableau 5. Les observations en altitude indiquent l'existence d'inversions de la température de surface durant ces 5 jours, menant aux conditions stables observées qui expliqueraient davantage les prévisions de valeurs élevées de MP_2,5. Les observations des 11, 12 et 13 février indiquent la présence d'une crête stable et solide d'air froid arctique et une inversion particulièrement forte à la surface. Les 9 et 17 février montrent un schéma synoptique différent; toutefois, des vents forts provenant du sud-ouest et de l'ouest à une hauteur de 500 mb durant ces jours pourraient entraîner une subsidence, étant donné que de l'air circule au-dessus de la chaîne de montagne côtière, ce qui entraînerait les inversions de surface observées, et des conditions stables.