Rapport sur la caractérisation du bassin atmosphérique de Georgia Basin-Puget Sound 2014 : chapitre 8


8. Matières particulaires

Roxanne Vingarzan (Environnement Canada), Robert Kotchenruther (Région 10 de l’Environmental Protection Agency), Rebecca Saari, Sarah Hanna et Rita So (Environnement Canada)

Les matières particulaires (MP) sont composées de particules en suspension dans l’air sous forme liquide ou solide qui peuvent avoir de nombreuses origines différentes et des propriétés chimiques diverses. Les matières particulaires sont généralement caractérisées par leur taille physique ou leur diamètre, de quelques nanomètres (nm) à plusieurs dizaines de micromètres (µm). Les particules de moins de 2,5 µm présentent un intérêt particulier pour le présent rapport; ces particules sont communément appelées MP2,5 ou matières particulaires fines. Ces matières particulaires fines sont particulièrement préoccupantes pour deux raisons. Premièrement, ces particules sont en mesure de s’infiltrer profondément dans l’appareil respiratoire humain et peuvent être absorbées dans le sang, où il a été démontré qu’elles entraînent des effets biologiques. Deuxièmement, ces particules diffusent la lumière très efficacement et, par conséquent, jouent un rôle important dans la réduction de la visibilité, un sujet abordé au chapitre 9. Certaines formes de matières particulaires sont émises directement dans l’air (matières particulaires primaires), y compris les émissions fugitives de poussières, les embruns, la suie provenant de la fumée de bois, les incendies de forêt et la combustion de combustibles fossiles. Les matières particulaires peuvent également se former dans l’atmosphère (matières particulaires secondaires), à la suite de réactions impliquant les composés tels que les oxydes d’azote (NOx), le dioxyde de soufre (SO2), les composés organiques volatils (COV) et l’ammoniac (NH3). La présente section explore les divers constituants qui forment les matières particulaires et les processus en cause dans la production secondaire. Le présent chapitre examine la contribution des sources naturelles et des concentrations de fond aux concentrations ambiantes de matières particulaires, examine les tendances et les variations dans les niveaux de matières particulaires et détermine les secteurs préoccupants dans le bassin atmosphérique.

8.1 Classification des matières particulaires dans l’air ambiant en fonction de la taille des particules

Comme il a été mentionné précédemment, les matières particulaires sont habituellement caractérisées par leur taille physique et leur composition. La Figure 8.1 illustre une répartition de matières particulaires fines par nombre et par masse. Les particules dont le diamètre est inférieur à 10 μm sont classées comme des MP10 (à titre de référence, leur taille est inférieure à un cheveu humain). Les particules d’un diamètre variant entre MP10 et MP2,5 sont définies comme des fractions grossières. MP2,5 comprend toutes les particules présentant des diamètres inférieurs à 2,5 μm, aussi connues sous le nom de matières particulaires fines. Les plus petites particules, ultrafines, ont un diamètre inférieur à 0,1 µm. Les particules ultrafines, qui sont les plus nombreuses mais qui ont la masse et le volume les plus petits, ont fait l’objet d’études récentes portant sur les effets sur la santé.

Le temps de séjour des matières particulaires dans l’atmosphère dépend de leur taille. Les grosses particules sortent très rapidement sous l’effet de la gravité. Les particules plus petites ont des temps de séjour atmosphérique de l’ordre de quelques jours et sont enfin éliminées de l’atmosphère par dépôt humide dans la pluie, la neige ou le brouillard, ou par dépôt sec par l’entremise de la gravité ou par la turbulence à la surface) (se reporter au chapitre 12, Dépôts atmosphériques et impacts écologiques). Pendant leur séjour dans l’atmosphère, les particules sont transportées à partir de leurs sources et subissent différents processus de transformations physiques et chimiques.

 

Figure 8.1 Répartition des matières particulaires fines par nombre et par masse (NARSTO, 2004).

Figure 8.1 Répartition des matières particulaires fines par nombre et par masse (NARSTO, 2004). (Voir la description ci-dessous)

Description de la figure 8.1

La figure 8.1 a deux diagrammes : celui du haut montre la répartition des matières particulaires fines par nombre, et celui du bas montre la répartition des matières particulaires fines par volume. Dans les deux cas, l'axe X est une échelle logarithmique qui montre le diamètre de 0,003 à 90 microns. Des barres le long de la partie supérieure des représentations graphiques indiquent que les particules ultrafines sont celles d'un diamètre inférieur à 0,1 micron, les particules fines sont celles d'un diamètre inférieur à 2,5 microns, et les grosses particules sont celles d'un diamètre de 2,5 à 10 microns.

Dans le diagramme du haut, l'axe Y indique la concentration numérique normalisée (dN/dlogDP), de 0 à 40 cm-3 x 103. Deux modes de distribution selon un journal normal figurent dans la concentration selon la concentration numérique. L'un est le mode nucléation qui atteint un maximum d'environ 0,003 micron à 35 cm-3 x 103. L'autre est le mode Aitken qui atteint un maximum entre 0,02 et 0,03 micron à environ 14 cm-3 x 103. Ces deux modes se chevauchent entre 0,004 et 0,02 micron; le minimum entre les deux modes a lieu à 0,01 micron et à environ 6 cm-3 x 103.

Dans le diagramme du bas, l'axe Y représente la concentration de volume normalisée (dV/dlogDp) de 0 à 50 µm/cm3. Deux modes, c'est-à-dire le mode accumulation et le mode grosses particules, figurent dans la concentration de volume. Le mode accumulation peut être davantage décomposé dans le sous-mode condensation et le sous-mode gouttelettes. Ces deux derniers sous-modes ainsi que le mode grosses particules sont des modes de distribution selon un journal normal. Le sous-mode condensation atteint un maximum d'environ 0,02 micron à environ 10 µm/cm3. Il s'étend de 0,005 à 1 micron. Le sous-mode gouttelettes atteint un maximum d'environ 0,7 micron à 45 µm/cm3. Il s'étend de 0,15 à 3 microns. Le sous-mode gouttelettes constitue la majeure partie du mode accumulation, alors que le sous-mode condensation ne représente qu'une petite partie. Le mode grosses particules atteint un maximum d'environ 6 microns à environ 25 µm/cm3. Il s'étend de 0,5 à 50 microns.

 

La nucléation a lieu lorsque les gaz chauds refroidissent et se condensent, selon un processus appelé conversion gaz/particule. La plupart des noyaux d’Aitken se présentent sous forme initiale en tant que particules primaires et se développent par condensation ou par coagulation. La coagulation se forme à la suite de collisions entre les particules pour former des particules plus grosses. La coagulation augmente efficacement la masse des particules tout en diminuant les particules plus petites, ce qui génère une modification de la distribution des particules d’aérosol vers des particules plus grosses. Les particules se forment également par des réactions de phase gazeuse comme la réaction du NH3 avec le HNO3 pour former le NH4NO3, transférant ainsi le matériau gazeux vers la phase particulaire (NARSTO, 2004).

Les particules peuvent également se développer par le biais de la condensation en entrant en contact avec des vapeurs réactives qui se condensent à la surface de la particule pour former une particule secondaire plus grosse. En cas de taux élevé d’humidité relative, la vapeur d’eau se condense en petites particules pour former des gouttelettes de nuage. Cette phase aqueuse permet aux réactions chimiques comme la conversion SO2 en SO4= d’avoir lieu (NARSTO, 2004).

La distribution du volume ou de la masse dans la Figure 8.1 est dominée par deux modes, le mode accumulation (d’environ 0,1 à environ 2 μm) et le mode grosses particules (d’environ 2 à 50 μm). La distribution présente un maximum approximatif de 0,6 à 0,8 μm en matière de diamètre, avec un deuxième pic à près de 6 μm. Les particules du mode accumulation sont générées à partir des émissions primaires, de la formation d’aérosols de sulfate et de nitrate secondaires, de la condensation de matières organiques à partir de la phase gazeuse et de la coagulation de particules plus petites. Les particules en mode grosses particules sont généralement produites par des processus mécaniques, notamment le vent ou l’érosion (poussières, sels de mer, pollens, etc.) (NARSTO, 2004).

8.2 Sources et formation des matières particulaires secondaires

La formation et la composition des matières particulaires fines sont liées à leur source d’émission. Les particules primaires sont émises directement dans l’atmosphère, tandis que les particules secondaires sont formées dans l’atmosphère.

Les matières particulaires primaires sont émises par des sources telles que les embruns, les chasse-poussière, la combustion des combustibles fossiles et les activités de construction. Ces particules primaires se trouvent à la fois sous forme fine (MP2,5) et sous forme grossière (MP2,5 à MP10). Les particules primaires d’origine naturelle sont généralement grosses, alors que les particules primaires anthropiques peuvent être fines ou grosses.

La plupart des particules secondaires sous la fraction MP2,5 sont formées à partir de précurseurs gazeux par le biais de processus d’oxydation physiochimiques. Les gaz les plus fréquemment impliqués sont le SO2, le NOx, le NH3 et les COV, et les oxydants les plus fréquents sont l’OH, l’O3 et le NO3. La présente section décrit les sources clés et mécanismes de formation des particules associées aux précurseurs de SO2, NOx, NH3 et COV.

8.2.1 SO2

L’oxydation du dioxyde de soufre (SO2) en sulfate (SO4=) constitue une transformation chimique importante dans la formation des matières particulaires fines (NARSTO, 2004). Les sources naturelles de SO2 incluent, entre autres, les volcans, les bactéries marines et terres humides, bien que la source dominante soit la combustion de combustibles fossiles (Makar, 2001). Le sulfate est généralement créé par le biais d’une réaction chimique du SO2 avec le radical hydroxyle (OH) dans l’air, par le biais de réactions d’oxydation aqueuse après la dissolution du SO2 dans les nuages, dans le brouillard ou dans l’eau de pluie, et par le biais de l’oxydation du SO2 dans des réactions au sein des particules d’aérosols elles-mêmes. Le premier processus est dominant dans la journée, mais négligeable durant la nuit (NARSTO, 2004). L’oxydation de la phase aqueuse qui produit du SO4= dans l’eau des nuages peut apparaître très rapidement, en convertissant bien souvent la totalité du SO2 disponible. Il a été signalé que l’eau des nuages et du brouillard pourrait être responsable de la production de la moitié du SO4= (McHenry et Dennis, 1994; Langner et Rodhe, 1991), ce qui provoque des concentrations élevées de sulfate (Pandis et al., 1992). Les particules sont formées dans ce processus aqueux après l’évaporation de l’eau des nuages, ce qui génère du sulfate particulaire. Ces réactions forment l’acide sulfurique (H2SO4), qui s’associe à l’ammoniac (NH3) pour former le sulfate d’ammonium ((NH4)2SO4). Il s’agit de la forme neutralisée complète de la particule; toutefois, s’il n’y a pas suffisamment de NH3, du bisulfate d’ammonium (NH4HSO4) est formé, ce qui génère une particule qui reste acide.

8.2.2 NOx

Les oxydes d’azote (NO, NO2) sont formés de manière biologique dans le sol et par le biais de réactions avec l’oxygène lors de combustions à haute température. Le radical nitrate (NO3), l’ozone et le radical OH sont impliqués dans les réactions pendant la journée. Bien que le NOx (NO+NO2) réagisse avec l’ozone pour produire le radical NO3 pendant la journée, sa majeure partie se détruit rapidement par photolyse pendant la journée (Makar, 2001). Cependant, l’absence de photochimie permet l’accumulation de NO3 au cours de la nuit. Cette réaction est importante dans la réduction nocturne des concentrations d’ozone. Ces réactions modifient les concentrations de ces trois espèces (NO3, O3, OH) qui sont les principaux agents oxydants générant la formation d’aérosols (Makar, 2001). Une autre réaction chimique importante implique la conversion de NOx(NO+NO2) en acide nitrique (HNO3). Cela apparaît dans des réactions entre le NO2 et l’OH pendant la journée, pour former le HNO3, et entre le NO2 et le radical NO3 pour former le pentoxyde de diazote (N2O5) au cours de la nuit. Le N2O5 subit l’hydrolyse pour former le HNO3. L’équilibre du HNO3 dans l’atmosphère entre la phase gazeuse et la phase liquide est principalement une fonction de la température ambiante, sachant que les températures les plus chaudes génèrent davantage de dégagements gazeux d’aérosol HNO3. L’acide nitrique va réagir avec le NH3, le sel de mer et la poussière, bien que la production de NH4NO3 soit bien souvent le résultat lorsqu’il y a suffisamment de NH3 (NARSTO, 2004). Cette dernière est également accrue par des températures plus basses et par un fort taux d’humidité relative. Les particules résultant de la voie NH3 sont fines, sachant que les particules formées avec le sel de mer ou la poussière peuvent également être grosses. Des informations détaillées sur les réactions chimiques formant des matières particulaires et aérosols sont fournies par l’étude de Makar (2001).

8.2.3 NH3

L’azote sous forme d’ammoniac (NH3) réagit avec le HNO3 et le H2SO4 pour produire des matières particulaires fines. Ces réactions ont été décrites précédemment. Il est important de signaler que la réaction entre le NH3 et le HNO3 formant le NH4NO3 dépend des concentrations relatives de NH3 et de SO4=. En général, l’ammoniac disponible réagit de préférence avec le SO4= d’abord (bien qu’il ne neutralise pas toujours complètement tout le SO4=disponible), avant que tout excès ne soit disponible pour la réaction de neutralisation du NO3- (Blanchard et Hldy, 2003). La voie de l’acide nitrique préfère des températures plus basses et des taux d’humidité relative plus élevés pour optimiser la formation des particules (NARSTO, 2004). Les émissions d’ammoniac jouent un rôle important dans la distribution temporelle et spatiale des matières particulaires fines (Barthelmie et Pryor, 1998).

8.2.4 Matières organiques

La partie organique des matières particulaires fines est une combinaison complexe de centaines de composés organiques différents (NARSTO, 2004). Les aérosols organiques primaires sont émis directement dans l’atmosphère à partir de sources naturelles et anthropiques. Les composés importants pour la formation des aérosols organiques sont les composés organiques gazeux, semi-volatils et non-volatils (Makar, 2001). Les réactions et processus qui entraînent la formation d’aérosols sont complexes. Pour passer de la phase gazeuse à la phase liquide, les composés organiques doivent être semi- ou non-volatils. Les composés organiques gazeux fabriquent des produits à partir de réactions d’oxydation qui sont semi- ou non-volatils. Par conséquent, toutes les formes de composés organiques peuvent participer à la formation de particules. Les particules qui sont formées dans l’atmosphère à partir de matières organiques sont appelées les aérosols organiques secondaires (AOS). La capacité des COV à former des AOSdépend principalement des mêmes conditions nécessaires à la production d’autres particules secondaires : la température, le taux d’humidité relative, la concentration de composés organiques volatils (COV), la réactivité, la disponibilité des oxydants et la zone de surface, ainsi que la volatilité de produits (NARSTO, 2004).

8.2.5 Sources naturelles de matières particulaires

La poussière emportée par le vent est la source naturelle la plus courante de particules primaires. Toutefois, les embruns, les volcans, le pollen végétal et les feux de forêt sont également des sources naturelles de particules primaires. Les composés organiques provenant de la végétation (sources biogéniques) peuvent se présenter sous forme de particules primaires ou peuvent réagir avec d’autres composés pour produire des AOS, comme il a été décrit précédemment. Ce processus, dans lequel des composés organiques biogéniques produisent des particules fines, est très important dans les régions qui sont dominées par une végétation et représente, pour une grande partie, des particules submicrométriques.

Les milieux marins, les volcans et les terres humides sont des sources naturelles de soufre et d’autres composés chimiques qui entrent en réactions pour former des particules secondaires. Les zones d’eau salée dans le bassin de Georgia et de Puget Sound sont des exemples de source naturelle produisant du soufre. Une étude menée par Norman et al. (2004) a permis de constater que 30 % du sulfate de sel non marin prélevé dans les précipitations sur les îles du sud du Golfe et que jusqu’à 13 % du sulfate aérosol dans la vallée du bas Fraser provenaient de l’oxydation du sulfure de diméthyle à partir d’émissions d’algues. Cette estimation est cohérente avec la contribution biogénique estimée pour le bassin de Georgia pendant les périodes de pointe de floraison du phytoplancton (Sharma et al., 2003). Ces sources naturelles fournissent une source de sulfate qui réagit avec d’autres polluants de l’air, notamment le NH3, pour former des matières particulaires fines.

Une partie des MP10 et MP2,5 de l’air ambiant présentes dans le bassin atmosphérique de Georgia Basin et de Puget Sound proviennent du transport longue distance et sont composées de poussières de sol et de la pollution anthropique. En moyenne, on estime que cette contribution est de l’ordre de 1,5 à 2 µg/m3 par année pour les MP2,5 (McKendry, 2006). À l’occasion, des événements de poussières en Asie peuvent provoquer des épisodes régionaux de matières particulaires. En 1998, un événement de poussières asiatique a produit des concentrations de MP10 excessives de 65 μg/m3 sur la totalité de la région, de la fin du mois d’avril au début du mois de mai, alors que les niveaux normaux auraient dû être de 20 μg/m3 (Environmental Protection Agency des États-Unis, 2002). Chilliwack, dans la partie est de la vallée du bas Fraser, a enregistré des concentrations de MP10 de 120 μg/m3 et des concentrations de MP2,5 de 44 μg/m3 (Suzuki et Taylor, 2003) pendant cette période. Les événements de poussières liés aux transports longue distance à grande échelle ont couvert 15 à 30 % de la région continentale des États-Unis et ont augmenté les niveaux de MP2,5 de 8,7±2,3 μg/m3 en moyenne, pendant ces événements (Environmental Protection Agency des États-Unis, 2002).

8.2.6 Matières particulaires de fond

Les niveaux de matières particulaires de fond concernent une partie de MP provenant de sources qui ne sont pas sous le contrôle des juridictions locales. McKendry (2006) a examiné des études sur les matières particulaires de fond en Colombie-Britannique et a identifié les sources potentielles majeures suivantes :

  • Matières crustales locales transportées par le vent. Les plus connues sont les événements de poussée d’air hivernal dans l’est de la vallée du bas Fraser, quand de forts vents (8 à 10 m/s) mobilisent les matériaux du lit de la rivière (McKendry, 2000).
  • Les incendies de forêt (principalement l’été) qui touchent principalement les régions intérieures de la Colombie-Britannique, mais peuvent avoir une incidence sur la qualité de l’air côtier et les zones avoisinantes (y compris l’état de Washington).
  • Transport transpacifique de poussières (McKendry et al., 2001) découlant de violentes tempêtes de poussière au printemps en Asie. En raison de la longue distance par rapport à la source, le diamètre moyen des particules pour cette matière est d’environ 2,5 μm et peut donc contribuer de façon significative aux MP2,5 (Husar et al., 2001).

L’incidence des événements épisodiques de ces sources sur les niveaux des matières particulaires de fond est résumée dans le Tableau 8.1. La contribution du transport à grande distance sera explorée plus en détail dans le chapitre 11 (transport transfrontalier).

Tableau 8.1 Incidence des événements épisodiques sur les matières particulaires de fond en Colombie-Britannique (adapté de McKendry, 2006).
Sources de fond Concentration maximale de MP2,5 ambiantes Durée de l’événement Contribution de MP de fond aux niveaux ambiants Étendue spatiale Fréquence
Incendies de forêts d’août 2003 à Kelowna
284 µg/m 3
7 jours
100 %
À l’échelle régionale
Interannuelle
Événement de poussière asiatique d’avril 19981
44 µg/m 3
jours
50 % 2
Continentale
Potentiellement décennale
Événement de poussière local à Chilliwack
(7 janvier 2005)
MP 2,5entre 2 et 5 µg/m 3 ( MP 10 à 50 µg/m 3)
jours
0 à 50 %
Échelle locale
Annuelle

Remarques :

1McKendry et al., 2001; Husar et al., 2001

2L’Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis (2002) suggère une augmentation de 8,7± 2,3 μg/m3 pendant les événements de poussière, avec des contributions de la poussière maximales moyennes de 19,7± 8,4 μg/m3

Description du tableau 8.1

Le tableau 8.1 présente l'incidence de trois sources épisodiques sur les concentrations de fond de matières particulaires en Colombie-Britannique.

La première rangée du tableau contient les en-têtes « Sources épisodiques », « Concentration maximale de MP2,5 ambiantes », « Durée de l'événement », « Contribution épisodique à l'air ambiant », « Étendue spatiale », et « Fréquence ». La première colonne montre les différentes sources épisodiques prises en compte. Elles sont :

  • Incendies de forêt d'août 2003 à Kelowna
  • Événement de poussière asiatique d'avril 1998 (références : McKendry et al., 2001; Husar et al., 2001)
  • Événement de poussière local à Chilliwack (le 7 janvier 2005)

La deuxième à la sixième colonnes donnent les détails sur la façon dont chaque source épisodique a une incidence sur l'ozone en Colombie-Britannique.

Pour les incendies de forêts d'août 2003 à Kelowna, la concentration maximale de MP2,5 ambiantes est de 284 µg/m3, la durée de l'événement est de sept jours, la contribution épisodique à l'air ambiant est de 100 %, l'étendue spatiale est régionale, et la fréquence est interannuelle.

Pour l'événement de poussière asiatique d'avril 1998, la concentration maximale de MP2,5 ambiantes est de 44 µg/m3, la durée de l'événement se mesure en jours, la contribution épisodique à l'air ambiant est de 50 % (l'Environmental Protection Agency des États-Unis [2002] suggère une augmentation de 8,7± 2,3 μg/m3 pendant les événements de poussières, avec des contributions de poussières maximales moyennes de 19,7± 8,4 μg/m3), l'étendue spatiale est continentale, et la fréquence est possiblement décennale.

Pour l'événement de poussière local à Chilliwack, la concentration maximale de MP2,5 ambiantes est de 2 à 5 µg/m3 (MP10 à 50 µg/m3), la durée de l'événement se mesure en jours, la contribution épisodique à l'air ambiant est de 0 à 50 %, l'étendue spatiale est locale, et la fréquence est annuelle.

 

Plusieurs études ont estimé les concentrations de fond des matières particulaires dans les régions du bassin atmosphérique de Georgia Basin et de Puget Sound ou aux alentours. Dann et al. (2011) ont signalé des valeurs moyennes et médianes respectives de 3,6 et 3,2 µg/m3, pour le site régional de l’île Saturna dans le bassin de Georgia. Ceci était fondé sur une analyse des types de trajectoire de parcelle d’air associée à des concentrations moyennes de MP2,5 les plus basses sur 6 heures au 95e centile entre 2003 et 2006. McKendry (2006) a estimé une concentration de fond moyenne dans les masses d’air arrivant en Colombie-Britannique des trajectoires du Pacifique nord de 1,5 à 2 µg/m3. Sur la côte ouest pacifique, Jaffe et al. (2005) ont également estimé une concentration de fond associée de MP2,5maritimes/asiatiques de 1,5 µg/m3 (médiane) et de 2,1 µg/m3 (moyenne) au lac Crater, dans l’Oregon. Vingarzan (2004b) a signalé une plage de concentrations de fond de 1 à 4 µg/m3 dans l’ouest de l’Amérique du nord. Les tendances temporelles à long terme des matières particulaires de fond ne sont pas disponibles, du fait du manque de données à ce sujet.

8.3 Concentrations annuelles, saisonnières et diurnes des MP2,5 ambiantes

8.3.1 Concentrations et cycles temporels des MP2,5

Les concentrations de masse de MP2,5 annuelles moyennes dans les zones rurales du bassin atmosphérique de Georgia et de Puget Sound varient de 2 à 4 μg/m3. Près des centres urbains majeurs de Seattle, Victoria et Vancouver, les moyennes annuelles des MP2,5 sont de 7 à 8 μg/m3. Les concentrations annuelles moyennes de MP2,5, obtenues à partir de mesures d’appareils de surveillance continue par balance microélectronique ((TEOM)), dans la vallée du bas Fraser vont de 5 à 6 μg/m3(NAPS, 2006).

Dans la vallée du bas Fraser, les épisodes estivaux de MP2,5apparaissent parfois dans des conditions météorologiques stagnantes conduisant à la formation d’aérosols secondaires. En outre, la fumée transportée des incendies de forêt en Colombie-Britannique et partout ailleurs peut également contribuer à des épisodes de MP2,5 observés localement.

Les épisodes de MP2,5 pendant la saison froide apparaissent pendant les mois d’automne ou d’hiver, lorsque les émissions liées à la combustion du bois et au chauffage des locaux s’ajoutent à la charge de matières particulaires existante associée aux conditions météorologiques stagnantes et à une hauteur de mélange moindre. Les niveaux élevés de MP2,5 dans certaines stations de la vallée du bas Fraser, notamment l’aéroport de Vancouver et Pitt Meadows, peuvent être liés à la fumée de la combustion du bois dans les zones résidentielles voisines (Larson et al., 2007). De la même manière, les concentrations annuelles moyennes de pointe (98e centile) à Seattle et Tacoma sont généralement observées en automne et en hiver, et atteignent des niveaux de 28 à 31 μg/m3 à Seattle et de 43 à 46 μg/m3 à Tacoma.

Pendant les conditions épisodiques, les valeurs maximales sur 24 heures dépassent généralement 15 μg/m3 et parfois 20 μg/m3 dans la vallée du bas Fraser (Brook et al., 2011). Bien que cela soit rare, il y a eu des épisodes occasionnels où les concentrations de MP2,5 ont atteint des niveaux extrêmes. Le dernier événement de ce type s’est produit au moment de l’incendie à la tourbière Burns au cours de l’été 2005. Le 19 septembre, une nappe de fumée a recouvert la vallée du bas Fraser et entraîné des concentrations horaires de MP2,5dépassant 274 μg/m3 au sud de Burnaby et des concentrations MP2,5 moyennes sur 24 heures dépassant 40 μg/m3 à certains endroits. Les niveaux de MP2,5 dépassent parfois l’objectif sur 24 heures de 25 μg/m3 du Grand Vancouver, à cause des incendies de forêt, des épisodes de smog durant l’été, des inversions hivernales et des activités localisées de feux d’artifice (Grand Vancouver, 2010).

Les variations hebdomadaires des MP2,5 dans le bassin de Georgia sont généralement limitées (Suzuki et Taylor, 2003). Ceci est également le cas pour les MP2,5 quotidiennes, bien que plusieurs sites présentent des pics le soir et certains autres présentent des pics pendant la circulation des véhicules. Suzuki et Taylor (2003) ont découvert un profil diurne constitué de petites concentrations de pointe en matinée et en soirée et des concentrations de masse variant seulement de quelques μg/m3 par rapport à la valeur moyenne quotidienne. Une exception a été constatée sur le site de Victoria, où des pics en soirée ont atteint des valeurs de plus de 5 μg/m3au-dessus de la moyenne (Suzuki et Taylor, 2003). Plus récemment, pour l’année 2006, Brook et al. (2011) ont signalé un pic à l’heure de pointe du matin et un pic encore plus prononcé en soirée sur le site de Kitsilano, qui est situé dans la zone urbaine dense près du centre-ville de Vancouver. Le pic matinal de MP2,5 n’a pas été observé dans les sites plus ruraux de Hope et de Langley. La couche limite superficielle nocturne a maintenu des niveaux moyens horaires de MP2,5 élevés au cours de la nuit sur tous les sites, par concentration des émissions locales (Brook et al., 2011).

8.3.2 Concentrations et cycles temporels des MP10

Les concentrations de MP10 sur 24 heures dans le bassin de Georgia vont de 12 à 16 μg/m3 avec des valeurs de pointe de 28 à 30 μg/m3 en septembre. Le sud de l’île de Vancouver enregistre ses plus fortes concentrations moyennes de MP10 pendant le printemps (avril), avec des pics de concentrations maximales de 55 à 60 μg/m3 en octobre et en novembre (Suzuki et Taylor, 2003). Les zones rurales de Puget Sound ont des concentrations moyennes annuelles de MP10 de l’ordre de 4 à 7 μg/m3, avec des concentrations maximales sur 24 heures de l’ordre de 20 à 25 μg/m3. Les variations durant la semaine des concentrations de MP10 ont affiché une différence de 20 % entre les valeurs maximales et les valeurs minimales au milieu de la semaine, les valeurs minimales étant généralement observées le dimanche (Suzuki et Taylor, 2003). Les variations avaient donc tendance à être moins importantes dans les zones suburbaines que dans les zones urbaines ou industrielles.

8.4 Niveaux de MP2,5 ambiantes comparativement aux normes et objectifs

Les normes de concentration ambiante des MP2,5 fournissent une base réglementaire pour évaluer les concentrations ambiantes. Les concentrations de MP2,5 dans le bassin de Georgia et de Puget Sound sont généralement inférieures aux objectifs nationaux et aux normes de la plupart des régions, avec une exception notable à Puget Sound.

La Figure 8.2 montre que les MP2,5 de Tacoma ont dépassé les valeurs de la norme nationale américaine de qualité de l’air ambiant (NAAQS) sur 24 heures de 35 μg/m3 pour la totalité de la période d’enregistrement. Pour Marysville, les MP2,5 dépassaient les valeurs de la NAAQSsur 24 heures mais ont chuté et ont atteint la limite-seuil depuis 2005. Les concentrations moyennes régionales du comté de Pierce dépassent également cette norme; leurs concentrations de MP2,5 les plus élevées sur 24 heures au 98e centile étaient supérieures à 41 μg/m3 entre 2005 et 2008 (Environmental Protection Agency des États-Unis, 2010). Le 14 décembre 2009, l’Environmental Protection Agency des États-Unis a officiellement désigné la région Wapato Hills-vallée du fleuve Puyallup comme une zone de non-conformité à la norme nationale américaine de qualité de l’air ambiant sur 24 heures pour les MP2,5 ((WA DOE), 2010a).

 

Figure 8.2 Mesure du standard des MP2,5 de l’EPA des États-Unis pour Marysville, Seattle et Tacoma dans la région de Puget Sound.

Figure 8.2 Mesure du standard des MP2,5 de l’EPA des États-Unis pour Marysville, Seattle et Tacoma dans la région de Puget Sound. (Voir la description ci-dessous)

Remarques : Moyennes sur 3 ans au 98e centile le plus élevé à partir des données quotidiennes (Station AIR 53-061-1007 pour Marysville) (Station AIRS 53-033-0080 pour Seattle) (Station AIRS 53-053-0029 pour Tacoma).

Description de la figure 8.2

La figure 8.2 a deux parties. À la droite, il y a une image satellite qui montre la région de Puget Sound; les villes de Marysville, de Seattle et de Tacoma sont indiquées par des cercles. À la gauche, il y a un diagramme dans lequel sont indiquées les années 2000 à 2011 sur l'axe X, et la concentration en MP2,5 de 0 à 50 µg/m3 sur l'axe Y. Une ligne horizontale à 35 ppb indique la norme de qualité de l'air ambiant en vigueur aux États-Unis pour les MP2,5. Les données montrées correspondent à des moyennes chevauchantes sur 3 ans au 98e centile le plus élevé obtenues à partir des données quotidiennes (Station AIRS 53-061-1007 pour Marysville, Station AIRS 53-033-0080 pour Seattle et Station AIRS 53-053-0029 pour Tacoma).

Pour Marysville, il y a des données pour la période de 2003 à 2010. En 2003, la concentration était d'un peu plus de 40 µg/m3; elle a constamment diminué pour atteindre environ 32 µg/m3 en 2006, et est demeurée entre 30 et 35 µg/m3 jusqu'en 2009. En 2010, la concentration se situait entre 25 et 30 µg/m3.

Pour Seattle, il y a des données pour 2001 à 2010. De 2001 à 2006, la concentration est demeurée entre 20 et 25 µg/m3. Après 2006, la concentration est diminuée de façon constante jusqu'à environ 15 µg/m3 en 2010.

Pour Tacoma, il y a des données de 2003 à 2010. De 2003 à 2008, la concentration a augmenté de façon constante, passant d'environ 37 µg/m3 à un peu moins de 45 µg/m3. Après 2008, la concentration a diminué de nouveau jusqu'à environ 37 µg/m3 en 2010.

 

D’autres zones de Georgia Basin et de Puget Sound sont demeurées bien en deçà de leurs normes nationales respectives de MP2,5. La Figure 8.2 indique que Seattle devrait atteindre la valeur de la NAAQSaméricaine. De la même manière, les concentrations de MP2,5 sur quatre sites de la vallée du bas Fraser (Kitsilano, Pitt Meadows, Abbotsford et Chilliwack) sont bien en deçà du standard pancanadien (Figure 8.3).

8.5 Tendances de MP2,5

Les efforts de surveillance des MP2,5 à l’échelle nationale sont relativement récents dans les deux pays; la période d’enregistrement est donc trop courte pour prévoir des tendances à long terme sur de nombreux sites. L’analyse des tendances est également compliquée par les changements des méthodes de surveillance des matières particulaires, notamment l’ajout de sécheurs aux appareils de surveillance continue par balance microélectronique. Néanmoins, les concentrations de MP2,5 sur la plupart des sites semblent présenter un lent déclin (Figure 8.2 et Figure 8.3), à l’exception de Tacoma. Sur le Mont Rainier dans la région de Puget Sound (non illustré), le (WA DOE) (2002) a découvert une forte tendance à la baisse des MP2,5 de l’ordre de 0,32 μg/m3 par année, de 1988 à 1999. De façon similaire, les données moyennes de MP2,5 sur 24 heures de Rocky Point, dans le bassin de Georgia (non illustré), indiquent une tendance à la baisse statistiquement importante (p < 0,05) de l’ordre de 0,42 μg/m3 par année, entre 1993 et 2004. De récentes analyses de la rétrodiffusion des particules (un substitut aux mesures de MP2,5) dans la vallée du bas Fraser indiquent également des tendances à la baisse statistiquement importantes depuis 2002 (So et Vingarzan, 2010).

Figure 8.3 Mesure du standard pancanadien des MP2,5pour quatre sites dans la vallée du bas Fraser.

Figure 8.3 Mesure du standard pancanadien des MP2,5pour quatre sites dans la vallée du bas Fraser.

Remarques : Moyennes sur 3 ans au 98e centile le plus élevé basées sur des données moyennes sur 24 heures (Stations NAPS, d’ouest en est : 100118, 101202,101004, 101101).
Les données antérieures à 2004 ont été recueillies sans sécheur et sont donc illustrées séparément.

Description de la figure 8.3

La figure 8.3 est composée de trois parties. Le diagramme supérieur est une image satellite de la vallée du bas Fraser dans laquelle les emplacements des stations de surveillance de la qualité de l'air de Kitsilano, de Pitt Meadows, d'Abbotsford et de Chilliwack sont indiqués par des cercles. Deux graphiques, un dans le coin inférieur gauche et un dans le coin inférieur droit, montrent les concentrations de MP2,5 (en µg/m3) à ces stations par rapport au temps. Le graphique du coin inférieur gauche montre les années de 2004 à 2009. Avant 2004, on recueillait les données sans sécheur; les données de 1997 à 2003 sont donc illustrées séparément dans le coin inférieur droit. Les deux graphiques ont également une ligne horizontale à 30 µg/m3, qui indique la norme pancanadienne. Les données montrées correspondent à des moyennes sur trois ans au 98e centile le plus élevé basées sur des données moyennes sur 24 heures (Stations NAPS, d'ouest en est : 100118, 101202,101004, 101101).

Pour la station de Kitsilano, il y a des données pour la période de 2005 à 2009. En 2005, la concentration en MP2,5 était d'environ 15 µg/m3. Cette concentration a diminué lentement pour se situer entre 10 et 15 µg/m3 en 2009.

Pour la station de Pitt Meadows, il y a des données pour la période de 2004 à 2008. En 2005, la concentration en MP2,5 était d'environ 15 µg/m3. Cette concentration a diminué lentement pour se situer entre 10 et 15 µg/m3 en 2009.

Pour la station d'Abbotsford, il y a des données pour la période de 2006 à 2008. En 2005, la concentration en MP2,5 se situait entre 10 et 15 µg/m3. Cette concentration a diminué lentement jusqu'à environ 10 µg/m3 en 2009.

La station de Chilliwack est la seule pour laquelle il existe des données antérieures à 2004; dans ce cas, les données concernent les années 1997 à 2003. En 1997, la concentration en MP2,5était un peu inférieure à 15 µg/m3. Elle est demeurée stable jusqu'en 2000, a diminué à environ 12 µg/m3 en 2001, pour ensuite rester à cette dernière concentration jusqu'en 2003.

 

8.6 Analyse de la composition des matières particulaires fines

Comprendre la composition des matières particulaires est la clé pour comprendre ses effets sur la santé humaine et sur l’environnement. Les matières particulaires peuvent transporter des toxines et des métaux et peuvent influencer de manière variable le climat, l’environnement et la visibilité. Par conséquent, la composition des particules peut être aussi importante que leur concentration lorsqu’il s’agit de comprendre et d’évaluer les incidences des MP2,5 ambiantes.

Dans la figure 8.4, les concentrations relatives d’ammoniac, de sodium, de sulfate et de nitrate dans les MP2,5sont illustrées avec la taille des particules mesurées pour deux sites dans la vallée du bas Fraser (notez que la taille de particules est décroissante de gauche à droite). Le nitrate de sodium domine la fraction de grosses particules (supérieures à 2,5 µm), alors que le sulfate d’ammonium et, à un degré moindre, le nitrate d’ammonium semblent dans la fraction de particules fines (inférieures à 2,5 µm). Ceci est principalement dû à la formation du nitrate de sodium en mode grosses particules suivi de la réaction de l’acide nitrique et du sel de mer (NaCl).

Figure 8.4 Composition chimique et classe granulométrique des MP2,5 sur deux sites dans le bassin atmosphérique de Georgia Basin (Pryor, 2003).

Figure 8.4 Composition chimique et classe granulométrique des MP2,5 sur deux sites dans le bassin atmosphérique de Georgia Basin (Pryor, 2003). (Voir la description ci-dessous)

Remarques : (1) Des concasseurs de dépôts uniformes à micro-orifice à dix paliers (MOUDI-110) ont été déployés dans les zones de Langley et du Mont Sumas. Chaque palier possède un diamètre de pointe de découpe plus petit que le précédent, pour permettre un tri des particules. (2) L’équilibre des ions est un moyen de vérifier la précision des résultats d’analyse. Les écarts par rapport à un coefficient anions/cations de 1,0 permettent d’évaluer les erreurs d’analyse ou les ions manquants.

Description de la figure 8.4

La figure 8.4 est composée de deux diagrammes à barres empilées, un pour Langley, et un pour le Mont Sumas. Chaque diagramme montre la concentration d'ammoniac, de sodium, de sulfate, et de nitrate (en mol/m3) pour 11 différentes granulométries. Les particules ont été recueillies au moyen de concasseurs de dépôts uniformes à micro-orifice à dix paliers (MOUDI-110). Chaque palier possède un diamètre de pointe de découpe plus petit que le précédent, pour permettre un tri des particules. Les diamètres des particules pour chacun des paliers de 0 à 10 sont indiqués comme étant de 20, 10, 6, 3,5, 2, 1, 0,6, 0,35, 0,15 et 0,125 microns. Pour chaque dimension ou palier, la moyenne de l'équilibre ionique est également indiquée. L'équilibre des ions est un moyen de vérifier la précision des résultats d'analyse. Les écarts par rapport à un coefficient anions/cations de 1,0 permettent d'évaluer les erreurs d'analyse ou les ions manquants.

Les données pour Langley sont les suivantes :

  • Le palier 0 a environ 1 mol/m3 de sodium, 0,25 mol/m3 d'ammoniac, 0,5 mol/m3 de nitrate, et moins de 0,1 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 1,4.
  • Le palier 1 a environ 0,25 mol/m3 de sodium, 0,1 mol/m3 d'ammoniac, 0,25 mol/m3 de nitrate, et moins de 0,1 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 1,2.
  • Le palier 2 a environ 1,1 mol/m3 de sodium, 0,25 mol/m3 d'ammoniac, 0,5 mol/m3 de nitrate, et moins de 0,1 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 1,1.
  • Le palier 3 a environ 3,5 mol/m3 de sodium, 0,5 mol/m3 d'ammoniac, 2,5 mol/m3 de nitrate, et 0,25 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 1,0.
  • Le palier 4 a environ 3 mol/m3 de sodium, 0,5 mol/m3 d'ammoniac, 3 mol/m3 de nitrate, et 0,25 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 1,0.
  • Le palier 5 a environ 3 mol/m3 de sodium, 0,5 mol/m3 d'ammoniac, 2 mol/m3 de nitrate, et 0,25 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 1,1.
  • Le palier 6 a environ 1 mol/m3 de sodium, 2,5 mol/m3 d'ammoniac, 1 mol/m3 de nitrate, et 2 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 1,0.
  • Le palier 7 a environ 0,25 mol/m3 de sodium, 6,5 mol/m3 d'ammoniac, 1 mol/m3 de nitrate, et 4 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 1,0.
  • Le palier 8 a environ 0,25 mol/m3 de sodium, 8 mol/m3 d'ammoniac, 0,75 mol/m3 de nitrate, et 4 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 0,9.
  • Le palier 9 a environ 0,1 mol/m3 de sodium, 1 mol/m3 d'ammoniac, 0,1 mol/m3 de nitrate, et 1 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 0,6.
  • Le palier 10 a environ 0,1 mol/m3 de sodium, 0,1 mol/m3 d'ammoniac, 0,1 mol/m3 de nitrate, et 0,1 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 1,3.

Les données pour le Mont Sumas sont les suivantes :

  • Le palier 0 a environ 0,75 mol/m3 de sodium, 0,25 mol/m3 d'ammoniac, 0,5 mol/m3 de nitrate, et 0,25 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 1,0.
  • Le palier 1 a environ 0,25 mol/m3 de sodium, 0,25 mol/m3 d'ammoniac, 0,25 mol/m3 de nitrate, et moins de 0,1 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 1,3.
  • Le palier 2 a environ 1,0 mol/m3 de sodium, 0,5 mol/m3 d'ammoniac, 1,5 mol/m3 de nitrate, et moins de 0,1 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 1,0.
  • Le palier 3 a environ 3 mol/m3 de sodium, 1 mol/m3 d'ammoniac, 4 mol/m3 de nitrate, et moins de 0,1 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 0,9.
  • Le palier 4 a environ 2,5 mol/m3 de sodium, 1 mol/m3 d'ammoniac, 2,5 mol/m3 de nitrate, et moins de 0,1 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 0,8.
  • Le palier 5 a environ 2 mol/m3 de sodium, 1 mol/m3 d'ammoniac, 2 mol/m3 de nitrate, et 0,25 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 1,1.
  • Le palier 6 a environ 0,25 mol/m3 de sodium, 5,5 mol/m3 d'ammoniac, 2 mol/m3 de nitrate, et 2 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 1,1.
  • Le palier 7 a environ 0,25 mol/m3 de sodium, 10 mol/m3 d'ammoniac, 2 mol/m3 de nitrate, et 6 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 0,9.
  • Le palier 8 a moins de 0,1 mol/m3 de sodium, 5 mol/m3 d'ammoniac, 0,5 mol/m3 de nitrate, et 4 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 0,8.
  • Le palier 9 a moins de 0,1 mol/m3 de sodium, 0,5 mol/m3 d'ammoniac, 0,25 mol/m3 de nitrate, et 0,5 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 0,5.
  • Le palier 10 a moins de 0,1 mol/m3 de sodium, 2 mol/m3 d'ammoniac, 0,25 mol/m3 de nitrate, et 1 mol/m3 de sulfate. La moyenne de l'équilibre ionique est de 1,0.

 

Une analyse de la composition des MP2,5 dans le bassin atmosphérique de Georgia Basin et de Puget Sound est illustrée dans la Figure 8.5. Le carbone organique, le nitrate d’ammonium et le sulfate d’ammonium sont les principaux composants sur tous les sites. Pour comparer les quatre sites, qui vont du Mont Rainier à la zone urbaine de Seattle, il faut d’abord prendre en compte la plage de concentrations annuelles moyennes de MP2,5. Seattle présente la concentration annuelle la plus élevée de MP2,5 (7,2 μg/m3) et le Mont Rainier présente la moitié des concentrations de tout autre site (3,1 μg/m3). La zone urbaine résidentielle de Burnaby et la zone rurale d’Abbotsford ont des concentrations proportionnées, qui sont similaires mais pas moins importantes à celles de Seattle.

Il existe certaines différences notables dans la composition des MP2,5sur ces sites. Le sulfate d’ammonium présente la concentration la plus importante sur le site de Seattle, probablement du fait des émissions industrielles et maritimes locales plus importantes. Le Mont Rainier présente également une concentration plus élevée de sulfate, ce qui est probablement dû au sulfate transporté et aux précurseurs; toutefois, ses concentrations totales en sulfate sont beaucoup plus basses que celles de Seattle, selon la masse (0,8 μg/m3 comparativement à 1,6 μg/m3).

Le nitrate d’ammonium a un taux plus élevé sur le site d’Abbotsford dans l’est de la vallée du bas Fraser, où les émissions d’ammoniac et les concentrations ambiantes sont élevées. Les concentrations élevées d’ammoniac optimisent la formation de nitrate d’ammonium, qui, dans ce bassin atmosphérique, est limitée par la disponibilité des espèces d’azote à l’état oxydé, et non pas de l’ammoniac. Au sud de Burnaby, une plus grande disponibilité de SO2 altère l’équilibre en faveur du sulfate d’ammonium.

 

Figure 8.5 Contribution en pourcentage à la masse totale reconstituée (MTR) pour les matières particulaires fines à partir de six constituants de MP2,5 dans la région de Georgia Basin et de Puget Sound.

Figure 8.5 Contribution en pourcentage à la masse totale reconstituée (MTR) pour les matières particulaires fines à partir de six constituants de MP2,5 dans la région de Georgia Basin et de Puget Sound. Georgia Basin  Burnaby (zone urbaine-résidentielle)  Figure 8.5. Contribution en pourcentage à la masse totale reconstituée (MTR) pour les matières particulaires fines à partir de six constituants de MP2,5 dans la région de Georgia Basin et de Puget Sound. (Voir la description ci-dessous)  Total des MP2,5 = 6,1 μg/m3 Site RNSPA n° 100119    Puget Sound  Seattle (zone urbaine)  Figure 8.5. Contribution en pourcentage à la masse totale reconstituée (MTR) pour les matières particulaires fines à partir de six constituants de MP2,5 dans la région de Georgia Basin et de Puget Sound. (Voir la description ci-dessous)  Total des MP2,5 = 7,2 μg/m3 Site IMPROVE(53-033-0080)

Figure 8.5 Contribution en pourcentage à la masse totale reconstituée (MTR) pour les matières particulaires fines à partir de six constituants de MP2,5 dans la région de Georgia Basin et de Puget Sound. Abbotsford (zone rurale)  Figure 8.5. Contribution en pourcentage à la masse totale reconstituée (MTR) pour les matières particulaires fines à partir de six constituants de MP2,5 dans la région de Georgia Basin et de Puget Sound. (Voir la description ci-dessous)  Total des MP2,5 = 6,5 μg/m3 Site RNSPA n° 101004  Remarques :  Moyenne pour tous les jours de 2003 à 2008 ANO3 = nitrate d’ammonium = 1,29*NO3 ASO4 = sulfate d’ammonium = 1,375*SO4 EC = carbone élémentaire MO = matière organique = 1,6*OC (zone mélangée : urbaine/rurale) Sel de mer = chlorure de sodium = 1,8*(Chlorure) Sol = 3,48*Si+1,63*Ca+1,5*Fe+1,41*K+1,94*Ti Le calcul du sol ne comprend pas l’aluminium parce que les données sur l’aluminium ne sont pas fiables. La MTR était supérieure à la masse des MP2,5, ce qui indique qu’une ou plusieurs masses de constituant reconstituées sont surestimées. Cela génère également une valeur négative pour les éléments traces, qui n’a donc pas été incluse dans les parcelles d’étude ci-dessus.    Mount Rainier (zone éloignée)  Figure 8.5. Contribution en pourcentage à la masse totale reconstituée (MTR) pour les matières particulaires fines à partir de six constituants de MP2,5 dans la région de Georgia Basin et de Puget Sound. (Voir la description ci-dessous)  Total de MP2,5 = 3,1 μg/m3 Site IMPROVE(53-053-0014)/p>

Description de la figure 8.5

La figure 8.5 montre des données de deux stations dans le bassin de Georgia (la station de Burnaby, un site résidentiel-urbain, et la station d'Abbotsford, un site rural), ainsi que des données de deux stations dans la région de Puget Sound (la station de Seattle, un site urbain, et le Mont Rainier, un site éloigné). Pour chaque site, il y a un diagramme à secteur qui présente la contribution en pourcentage à la masse totale reconstituée (MTR) pour les matières particulaires à partir de six constituants de MP2,5. Voici ces constituants : ANO3, ASO4, carbone élémentaire, matière organique, sel de mer, éléments traces, et éléments du sol.

Il y a les notes suivantes pour la masse totale reconstituée du bassin de Georgia :

  1. Moyenne pour tous les jours de 2003 à 2008
  2. ANO3 = nitrate d'ammonium = 1,29*NO3
  3. ASO4 = sulfate d'ammonium = 1,375*SO4
  4. = carbone élémentaire
  5. MO = matière organique = 1,6*OC (zone mélangée : urbaine/rurale)
  6. Sel de mer = chlorure de sodium = 1,8*(Chlorure)
  7. Sol = 3,48*Si+1,63*Ca+1,5*Fe+1,41*K+1,94*Ti
  8. Le calcul du sol ne comprend pas l'aluminium parce que les données sur l'aluminium n'étaient pas fiables.
  9. La masse totale reconstituée était supérieure à la masse des MP2,5, ce qui indique qu'une ou plusieurs masses de constituants reconstituées étaient
  10. surestimées. Cela génère également une valeur négative pour les éléments traces, qui n'a donc pas été incluse dans les parcelles d'étude ci-dessus.

Il y a les notes suivantes pour la masse totale reconstituée de Puget Sound :

  1. Moyenne pour tous les jours de 2004 à 2008
  2. ANO3 = nitrate d'ammonium = 1,29*NO3
  3. ASO4 = sulfate d'ammonium = 1,375*SO4
  4. = carbone élémentaire
  5. MO = matière organique = 1,8*OC (pour les zones rurales) ou 1,4*OC (pour les zones urbaines)
  6. Sel de mer = chlorure de sodium = 1,8*(Chlorure)
  7. Sol = 2,2*Al + 2,49*Si + 1,63*Ca + 2,42*Fe + 1,94*Ti
  8. Trace = somme de tous les autres composants traces

Voici les pourcentages pour la station de Burnaby : ANO3, 18 %; ASO4 , 19 %; , 15 %; matière organique, 40 %; sel de mer, 2 %; éléments du sol, 6 %. MP2,5 totales = 6,1 μg/m3.

Voici les pourcentages pour la station d'Abbotsford : ANO3, 23 %; ASO4 , 16 %; , 13 %; matière organique, 40 %; sel de mer, 2 %; éléments du sol, 6 %. MP2,5 totales = 6,5 μg/m3.

Voici les pourcentages pour la station de Seattle : ANO3, 14 %; ASO4 , 21 %; , 11 %; matière organique, 40 %; sel de mer, 5 %; éléments du sol, 6 %; éléments traces, 3 %. MP2,5totales = 7,2 μg/m3.

Voici les pourcentages pour la station du Mont Rainier : ANO3, 5 %; ASO4 , 24 %; , 7 %; matière organique, 52 %; sel de mer, 3 %; éléments du sol, 6 %; éléments traces, 3 %. MP2,5totales = 3,1 μg/m3.

 

8.6.1 Variations saisonnières de la composition des MP2,5

Les compositions moyennes annuelles illustrées dans la Figure 8.5 varient également selon les saisons. Ces variations sont illustrées respectivement dans la Figure 8.6 et dans la Figure 8.7 pour la région de Puget Sound et le bassin de Georgia. Les tendances saisonnières dans les zones urbaines et rurales sous la Figure 8.6 diffèrent considérablement, à la fois en termes de masse totale et de composition. La masse totale atteint des valeurs de pointe en automne et en hiver pour les zones urbaines comme Seattle, ce qui reflète la fréquence supérieure de profondeurs de couches de mélanges inférieures et d’épisodes d’air stagnant associés à des niveaux plus élevés d’émissions directes de matières particulaires provenant de la fumée de la combustion du bois. La fumée provenant de la combustion du bois dans les résidences est une source importante de MP2,5 à Seattle (responsable de 51 % des émissions du comté de King en 2005) et ses émissions sont réputées pour présenter des valeurs de pointe pendant les mois les plus froids ((WA DOE), 2007). Le sud de Burnaby, dans le bassin de Georgia, est un site résidentiel-urbain présentant des valeurs similaires mais moins prononcées en termes de pics de concentrations de MP2,5 en automne et en hiver (Figure 8.7). À l’inverse, la zone rurale du Mont Rainier présente des concentrations plus élevées de MP2,5 en été, qui sont probablement liées à la combustion de biomasse (p. ex. les panaches des incendies de forêt) et probablement la production d’aérosols organiques secondaires à partir de l’oxydation des composés organiques volatils biogéniques.

Abbotsford, un site situé dans une zone agricole de la vallée du bas Fraser, diffère dans ses tendances saisonnières des zones urbaines et éloignées déjà mentionnées. À Abbotsford, les concentrations quotidiennes de MP2,5 sont plus basses en hiver, élevées en été et atteignent leur maximum en automne, avec une augmentation considérable de la proportion de matière organique (Figure 8.7). Il est à noter que ce site connaît différents régimes de vent en l’hiver, quand les vents sont principalement du nord-est et passent à travers une zone résidentielle en amont. En été, les vents sont du sud-ouest et soufflent en venant de la direction des champs agricoles et du comté de Whatcom, dans l’état de Washington. La variation saisonnière des concentrations de MP2,5 sur ce site est probablement une combinaison des émissions locales des activités agricoles et des véhicules, des activités de combustion du bois et des conditions météorologiques (So et al., 2010).

Parmi les quatre sites illustrés dans la Figure 8.6 et dans la Figure 8.7, plusieurs tendances saisonnières apparaissent dans la composition des matières particulaires. Les concentrations de sulfate augmentent en été du fait des forts taux de conversion photochimique du SO2 en sulfate, de l’augmentation des émissions de sulfure biogénique et de l’augmentation des activités de navigation/croisières. À l’inverse, les concentrations de nitrate maximales se produisent en hiver, car la formation de nitrate est favorisée par des températures plus froides et une humidité plus élevée. L’exception est Abbotsford, qui a des valeurs plus élevées de nitrate d’ammonium pendant les saisons agricoles actives, ce qui indique la disponibilité d’ammoniac à l’échelle locale.

 

Figure 8.6 Masse totale reconstituée (MTR) moyenne annuelle et saisonnière en zone urbaine (Seattle) comparativement à la zone rurale (Mont Rainier) pour tous les jours.

Figure 8.6 Masse totale reconstituée (MTR) moyenne annuelle et saisonnière en zone urbaine (Seattle) comparativement à la zone rurale (Mont Rainier) pour tous les jours. (Voir la description ci-dessous)

Remarques : Valeurs fondées sur les concentrations moyennes en 24 heures de l’échantillonnage effectué un jour sur trois pour les années de 2004 à 2008. Station IMPROVEpour Seattle (53-033-0080) et (53-053-0014) pour le Mont Rainier. Voir les remarques de la Figure 8.5 pour connaître la méthode de reconstitution et la définition des constituants.

Description de la figure 8.6

La figure 8.6 est un diagramme à barres empilées qui montre la masse reconstituée pour les MP2,5 en µg/m3 pour Seattle et le Mont Rainier, répartie par saison. Une note indique que les données sont fondées sur les concentrations moyennes en 24 heures de l'échantillonnage effectué en un jour sur trois pour les années de 2004 à 2008. Les données proviennent des stations du réseau IMPROVEpour Seattle (53-033-0080) et le Mont Rainier (53-053-0014). Voir les remarques de la Figure 8.5 pour connaître la méthode de reconstitution et la définition des constituants.

Voici les masses reconstituées annuelles approximatives pour les MP2,5en µg/m3 pour Seattle : ANO3, 1,0; ASO4, 1,75; , 0,75; matière organique, 3,0; sel de mer, 0,25; éléments du sol, 0,5; et éléments traces, 0,25. Les masses reconstituées totales pour les MP2,5 sont d'environ 8 µg/m3. Voici les masses reconstituées hivernales approximatives pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 1,25; ASO4, 1,0; , 1,0; matière organique, 4,0; sel de mer, 0,5; éléments du sol, 0,5; et éléments traces, 0,25. Les masses reconstituées totales pour les MP2,5 sont d'environ 8,5 µg/m3. Voici les masses reconstituées printanières approximatives pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 1,0; ASO4, 2,0; , 0,5; matière organique, 2,5; sel de mer, 0,25; éléments du sol, 0,5; et éléments traces, 0,25. Les masses reconstituées totales pour les MP2,5 sont d'environ 7 µg/m3. Voici les masses reconstituées d'été approximatives pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 0,75; ASO4, 3,0; , 0,5; matière organique, 2,5; sel de mer, 0,1; éléments du sol, 1,0; et éléments traces, 0,25. Les masses reconstituées totales pour les MP2,5 sont d'environ 7,5 µg/m3. Voici les masses reconstituées d'automne approximatives pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 1,25; ASO4, 2,0; , 1,0; matière organique, 3,5; sel de mer, 0,25; éléments du sol, 0,5; et éléments traces, 0,25. Les masses reconstituées totales pour les MP2,5 sont d'environ 8,75 µg/m3.

Voici les masses reconstituées annuelles approximatives pour les MP2,5en µg/m3 pour le Mont Rainier : ANO3, 0,1; ASO4, 1,0; , 0,25; matière organique, 2,0; sel de mer, 0,1; éléments du sol, 0,1; et éléments traces, 0,1. Les masses reconstituées totales pour les MP2,5 sont d'environ 3,25 µg/m3. Voici les masses reconstituées hivernales approximatives pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 0,1; ASO4, 0,25; , 0,1; matière organique, 1,0; sel de mer, 0,1; éléments du sol, 0,1; et éléments traces, 0,1. Les masses reconstituées totales pour les MP2,5 sont d'environ 2 µg/m3. Voici les masses reconstituées printanières approximatives pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 0,25; ASO4, 1,0; , 0,25; matière organique, 1,5; sel de mer, 0,1; éléments du sol, 0,25; et éléments traces, 0,1. Les masses reconstituées totales pour les MP2,5 sont d'environ 3,5 µg/m3. Voici les masses reconstituées d'été approximatives pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 0,25; ASO4 , 1,5; , 0,25; matière organique, 2,0; sel de mer, 0,1; éléments du sol, 0,25; et éléments traces, 0,1. Les masses reconstituées totales pour les MP2,5 sont d'environ 4,5 µg/m3. Voici les masses reconstituées d'automne approximatives pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 0,1; ASO4 , 1,0; , 0,25; matière organique, 2,0; sel de mer, 0,1; éléments du sol, 0,1; et éléments traces, 0,1. Les masses reconstituées totales pour les MP2,5 sont d'environ 3,5 µg/m3.

 

Figure 8.7 Masse totale reconstituée (MTR) moyenne annuelle et saisonnière en zone urbaine-résidentielle (sud de Burnaby) comparativement à la zone rurale-agricole (Abbotsford) pour tous les jours.

Figure 8.7 Masse totale reconstituée (MTR) moyenne annuelle et saisonnière en zone urbaine-résidentielle (sud de Burnaby) comparativement à la zone rurale-agricole (Abbotsford) pour tous les jours. (Voir la description ci-dessous)

Remarques : Valeurs fondées sur les concentrations moyennes en 24 heures de l’échantillonnage effectué un jour sur trois pour les années de 2003 à 2008. Station du RNSPA de Burnaby n° 100119 et n° 101004 pour Abbotsford. Voir les remarques de la figure 8.5 pour connaître la méthode de reconstitution et la définition des constituants.

Description de la figure 8.7

La figure 8.7 est un diagramme à barres empilées qui montre la masse reconstituée pour les MP2,5 en µg/m3 pour le sud de Burnaby et Abbotsford, répartie par saison. Une note indique que les données sont fondées sur les concentrations moyennes en 24 heures de l'échantillonnage effectué en un jour sur trois pour les années de 2003 à 2008. Les données proviennent des stations 100119 (Burnaby) et 101004 (Abbotsford) du Réseau national de surveillance de la pollution atmosphérique. Voir les remarques de la figure 8.5 pour connaître la méthode de reconstitution et la définition des constituants.

Voici les masses reconstituées annuelles approximatives pour les MP2,5en µg/m3 pour le sud de Burnaby : ANO3, 1,0; ASO4, 1,25; , 1,0; matière organique, 2,25; sel de mer, 0,1; et éléments du sol, 0,25. La masse reconstituée totale pour les MP2,5 est d'environ 6 µg/m3. Voici les masses reconstituées d'hiver approximatives pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 1,25; ASO4, 0,75; , 1,0; matière organique, 2,5; sel de mer, 0,25; et éléments du sol, 0,25. La masse reconstituée totale pour les MP2,5 est d'environ 6,5 µg/m3. Voici les masses reconstituées printanières approximatives pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 1,0; ASO4, 1,0; , 0,75; matière organique, 2,0; sel de mer, 0,1; et éléments du sol, 0,5. La masse reconstituée totale pour les MP2,5 est d'environ 6 µg/m3. Voici les masses reconstituées approximatives d'été pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 1,0; ASO4, 2,0; , 1,0; matière organique, 2,0; sel de mer, 0,1; et éléments du sol, 0,5. La masse reconstituée totale pour les MP2,5 est d'environ 6 µg/m3. Voici les masses reconstituées d'automne approximatives pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 1,0; ASO4, 1,0; , 1,0; matière organique, 3,0; sel de mer, 0,1; et éléments du sol, 0,5. La masse reconstituée totale pour les MP2,5 est d'environ 6,5 µg/m3.

Voici les masses reconstituées approximatives annuelles pour les MP2,5en µg/m3 pour Abbotsford : ANO3, 1,5; ASO4, 1,0; , 1,0; matière organique, 2,5; sel de mer, 0,1; et éléments du sol, 0,5. La masse reconstituée totale pour les MP2,5 est d'environ 6,5 µg/m3. Voici les masses reconstituées d'hiver approximatives pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 1,0; ASO4, 0,5; , 1,0; matière organique, 2,5; sel de mer, 0,25; et éléments du sol, 0,25. La masse reconstituée totale pour les MP2,5 est d'environ 6 µg/m3. Voici les masses reconstituées approximatives printanières pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 1,5; ASO4, 1,25; , 1,0; matière organique, 2,5; sel de mer, 0,1; et éléments du sol, 0,5. La masse reconstituée totale pour les MP2,5 est d'environ 6,5 µg/m3. Voici les masses reconstituées approximatives d'été pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 1,5; ASO4, 1,5; , 1,0; matière organique, 2,0; sel de mer, 0,1; et éléments du sol, 0,5. La masse reconstituée totale pour les MP2,5 est d'environ 6,5 µg/m3. Voici les masses reconstituées approximatives d'automne pour les MP2,5 en µg/m3 : ANO3, 1,5; ASO4, 1,0; , 1,25; matière organique, 2,5; sel de mer, 0,25; et éléments du sol, 0,5. La masse reconstituée totale pour les MP2,5 est d'environ 7,5 µg/m3.

 

Les variations saisonnières des concentrations de MP2,5 et leur composition illustrées dans la Figure 8.6 et la Figure 8.7 sont purement démonstratives et ne sont pas représentatives de la totalité du bassin atmosphérique de Georgia Basin et de Puget Sound. Les tendances saisonnières sont susceptibles de varier dans tout le bassin atmosphérique en fonction des sources à proximité et sont plus faciles à comprendre pour chaque site donné en attribuant une source aux matières particulaires.

8.7 Répartition par source de matières particulaires

Lorsque la composition chimique des matières particulaires a été analysée, l’importance relative des différentes sources impliquées dans sa formation peut être déterminée par le biais de méthodes statistiques comme la factorisation de matrice positive (FMP), l’analyse du composant principal (ACP) et la fonction de probabilité conditionnelle (FPC).

Plusieurs applications récentes de FMP et de FPC ont été effectuées en utilisant des données de MP2,5 spécifiées recueillies par des échantillonneurs de spéciation à partir des stations du RNSPA et IMPROVEdans le bassin atmosphérique de Georgia Basin et de Puget Sound. Cette zone inclut deux sites dans le bassin de Georgia, le sud de Burnaby et Abbotsford (So, et al., 2010) et deux zones dans la région de Puget Sound, Tacoma ((WA DOE), 2010b) et le Mont Rainier (Rose, 2006). Le sud de Burnaby, un site urbain-résidentiel dans la région du Grand Vancouver, est touché par les émissions liées à la circulation, à l’industrie mixte et aux activités maritimes. Abbotsford, un site semi-rural au centre de la vallée du bas Fraser, est touché par d’importantes émissions d’ammoniac, par la circulation routière et par la croissance de l’urbanisation. Le Mont Rainier est un site éloigné de la région de Puget Sound touché par le transport des émissions de sulfure anthropique, des COV biogéniques et de la combustion de biomasse. Tacoma est une zone urbaine résidentielle longeant une grande autoroute et elle subit l’influence du centre-ville de Tacoma, du port de Tacoma, de la base aérienne, de la base de l’armée et de plusieurs industries majeures ((WA DOE), 2010b).

8.7.1 Sources des matières particulaires dans la région de Georgia Basin

Les figures 8.8 et 8.9 présentent les contributions du facteur de source FMPà la masse des MP2,5 pour les saisons d’été et d’hiver dans le sud de Burnaby et à Abbotsford, respectivement (So et al., 2010). Les sources dominantes contribuant aux MP2,5 sont les véhicules motorisés, le nitrate (lié aux combustions mixtes, mais principalement lié ici au transport et à l’agriculture) et le sulfate (sources biogéniques de l’industrie, du transport de marchandises et des activités maritimes). Dans la région du Grand Vancouver, les émissions de SO2 liées au trafic maritime et au raffinage du pétrole contribuent aux émissions de particules de sulfate.

Les contributions des sources varient en fonction des saisons sur les deux sites. Les émissions liées à la combustion du bois et aux véhicules motorisés sont plus importantes l’hiver, tandis que la combustion de mazout et les influences biogéniques sont plus importantes en été. Il convient de noter que la proportion de la combustion de mazout en mer (poussée par le traceur Ni/Va) est plus importante en été, pendant la saison des bateaux de croisière. Le sulfate secondaire est plus élevé pendant l’été en raison d’une combinaison de l’augmentation de l’oxydation du SO2 et des émissions biogéniques. Les émissions marines biogéniques sous la forme de sulfure de diméthyle sont également importantes au printemps et en été; on estime qu’elles contribuent à concurrence de 26 % au total des émissions de soufre dans le bassin atmosphérique pendant les périodes d’efflorescences d’algues (Sharma et al., 2003). La majorité du nitrate dans le noyau urbain provient de l’oxydation du NOx causé par les émissions des automobiles et les sources maritimes et industrielles. Les contributions du nitrate secondaire sont inférieures en été, en raison de la formation préférentielle de sulfate d’ammonium par rapport au nitrate d’ammonium, l’absorption d’acide nitrique sur des grosses particules de sel de mer et l’équilibre des aérosols de nitrate d’ammonium étant favorisés par des températures froides et une humidité élevée.

Figure 8.8 Contributions du facteur FMPsaisonnier à la masse des MP2,5 à Burnaby.

Figure 8.8 Contributions du facteur FMP saisonnier à la masse des MP2,5 à Burnaby. (Voir la description ci-dessous)

Remarques : Valeurs basées sur l’analyse du FMP avec le FMP 3.0 de l’EPA sur des concentrations moyennes en 24 heures au cours d’un échantillonnage effectué un jour sur trois pour les années 2003 à 2008. Station RNSPA n° 100119. (So et al., 2010)

Description de la figure 8.8

La figure 8.8 est un diagramme à barres empilées qui illustre les contributions des sources de MP2,5 en µg/m3 pour l'été et l'hiver à Burnaby. Les données sont basées sur l'analyse du FMP avec le FMP 3.0 de l'Environmental Protection Agency sur des concentrations moyennes en 24 heures au cours d'un échantillonnage effectué un jour sur trois pour les années 2003 à 2008. Station du Réseau national de surveillance de la pollution atmosphérique no 100119 (So et al., 2010)

Pour l'été, les contributions des sources en µg/m3sont environ les suivantes : diesel, 0,2; nitrate secondaire, 0,9; sulfate secondaire, 1,75; éléments crustaux, 0,5; émissions des véhicules, 1,0; combustion de mazout, 0,5; sel de mer, 0,6; et brûlage, 0,2.

Pour l'hiver, les contributions des sources en µg/m3sont environ les suivantes : diesel, 0,25; nitrate secondaire, 1,5; sulfate secondaire, 0,4; éléments crustaux, 0,5; émissions des véhicules, 1,25; combustion de mazout, 0,2; sel de mer, 0,3; et brûlage, 0,75.

 

Figure 8.9 Contributions du facteur FMPsaisonnier à la masse des MP2,5 à Abbotsford.

Figure 8.9 Contributions du facteur FMP saisonnier à la masse des MP2,5 à Abbotsford. (Voir la description ci-dessous)

Remarques : Valeurs basées sur l’analyse du FMP avec le FMP 3.0 de l’EPA sur des concentrations moyennes en 24 heures au cours d’un échantillonnage effectué un jour sur trois pour les années 2003 à 2008. Station RNSPA n° 101004. (So et al., 2010).

Description de la figure 8.9

La figure 8.9 est un diagramme à barres empilées qui illustre les contributions des sources de MP2,5 en µg/m3 pour l'été et l'hiver à Abbotsford. Les données sont basées sur l'analyse du FMP avec le FMP 3.0 de l'Environmental Protection Agency sur des concentrations moyennes en 24 heures au cours d'un échantillonnage effectué un jour sur trois pour les années 2003 à 2008. Station du Réseau national de surveillance de la pollution atmosphérique no 101004 (So et al., 2010)

Pour l'été, les contributions des sources en µg/m3sont environ les suivantes : nitrate secondaire, 1,0; sulfate secondaire, 1,25; éléments crustaux, 0,75; émissions des véhicules, 1,0; combustion de mazout, 1,2; sel de mer, 0,5; et brûlage, 0,2.

Pour l'hiver, les contributions des sources en µg/m3sont environ les suivantes : nitrate secondaire, 1,3; sulfate secondaire, 0,25; éléments crustaux, 1,1; émissions des véhicules, 1,25; combustion de mazout, 0,1; sel de mer, 0,5; et brûlage, 0,5.

 

À Abbotsford (Figure 8.9), le sulfate secondaire et la combustion de mazout sont dominants en été, tandis que le nitrate secondaire, les éléments crustaux et les émissions des véhicules dominent pendant l’hiver. Les contributions de la combustion de bois sont également importantes en hiver. Le nitrate secondaire contribue de manière significative au cours des deux saisons.

Une analyse des sources des données spécifiées d’Abbotsford pour la période d’avril 1994 à mai 1995 a estimé les sources mobiles à 39 % (diesel : 3 %, essence : 36 %), le nitrate secondaire à 29 % et le sulfate secondaire à 13 % (Ostermann, 2002). Pour la période la plus récente de 2003 à 2008, So et al. (2010) ont estimé les émissions d’échappement des véhicules à 21 %, le nitrate secondaire à 24 % et le sulfate secondaire à 13 %. Les différences méthodologiques et les incertitudes doivent être prises en compte lorsqu’on compare les résultats d’Ostermann à ceux de So et al. Néanmoins, leurs résultats sont similaires et la baisse de la contribution relative des émissions de véhicules entre 2003 et 2008 (So et al., 2010) comparativement à 1994 et 1995 (Ostermann, 2002), qui est cohérente avec la baisse des émissions des véhicules formant le smog, est illustrée dans la figure 5.9 au chapitre 5.

8.7.2 Sources de matières particulaires à Tacoma dans la région de Puget Sound

Tacoma

L’étude du FMP du (WA DOE) (2010b) sur Tacoma a utilisé des méthodes similaires à celles de So et al. (2010). Les données ont été recueillies de janvier 2006 à mai 2009 en utilisant les protocoles d’échantillonnage du (STN) (Speciation Trends Network) dans le sud de Tacoma, Washington. L’analyse de répartition par source a été menée en utilisant la factorisation de matrice positive (FMP; Paatero et Tapper, 1994; Paatero, 1997) et la fonction de probabilité conditionnelle (FPC; Ashbaugh et al., 1985).

Les sources contribuant aux MP2,5 sur le site de Tacoma, des plus importantes aux moins importantes, étaient comme suit : fumée liée à la combustion du bois (45 %), particules secondaires (25 %), véhicules motorisés (13 %), émissions industrielles (6 %), poussières fugitives (4 %), sel de mer brut et raffiné (4 %), feux d’artifice (2 %) et combustion du mazout et navires (1 %). La fumée liée à la combustion du bois était la seule source la plus importante de MP2,5 à Tacoma, contribuant à environ la moitié des MP2,5 pendant la plupart des jours d’hiver, ainsi que pendant les jours où les concentrations de MP2,5 étaient les plus élevés. Étant donné que le brûlage en plein air est interdit à proximité du site, la fumée vient probablement de poêles à bois domestiques et d’appareils de chauffage.

Des variations saisonnières prononcées ont été observées pour la fumée de bois, les feux d’artifice, le nitrate secondaire, les véhicules à moteur, les émissions industrielles et le sel de mer brut. La plupart des contributions des émissions fugitives de poussières et des feux d’artifice ont eu lieu au cours de l’été, alors que la majeure partie de la contribution de la fumée liée à la combustion du bois a eu lieu au cours de l’hiver. Les contributions moyennes des véhicules à moteur et les industries étaient les plus fortes en hiver, probablement en raison des faibles hauteurs de la couche de mélange atmosphérique, et, pour les véhicules motorisés, en raison de l’accroissement du nombre de démarrages à froid requis pendant l’hiver.

Les contributions moyennes de la fumée liée à la combustion du bois et de l’industrie locale semblent avoir chuté chaque année depuis 2006. Une baisse similaire n’a pas été observée avec d’autres sources ou avec les valeurs annuelles du 98e centile des concentrations de fumée liée à la combustion de bois sur 24 heures.

Mont Rainier

Sur le Mont Rainier, les principaux composants des MP2,5 sont les matières organiques et le sulfate (Figure 8.5), que Rose (2006) a largement et respectivement attribués à la combustion de biomasse et au sulfate secondaire. L’analyse de Rose a comparé les périodes de 1991 à 1995 et de 2000 à 2003 pour explorer les tendances pluriannuelles et les variations saisonnières en matière de sources de matières particulaires sur ce site éloigné. L’analyse de composition des MP2,5 moyennes et quotidiennes du 90e centile du Mont Rainier pour les périodes 1991 à 1995 et 2000 à 2003 est présentée dans la figure 8.10. La biomasse a contribué en plus grande quantité à l’émission de particules fines pour les deux périodes (35 % à 40 % de la masse totale reconstituée). Cette contribution de la biomasse était probablement composée de deux principales sources : 1) fumée de biomasse locale ou transportée (liée au brûlage à l’air libre, aux poêles à bois, aux feux de végétation et à d’autres sources); et 2) aérosols organiques secondaires (AOS) produits par oxydation de composés organiques volatils (COV) biogéniques (Rose, 2006) ((WA DOE), 2002). Entre les deux périodes, les concentrations moyennes de biomasse au Mont Rainier ont diminué de 42 % et les concentrations de sulfate secondaire, constituant la deuxième source la plus importante de matières particulaires (environ 30 % de la masse totale reconstituée), ont baissé de 37 %. Une raison possible pourrait être que des contrôles d’émissions ont été ajoutés à une grande centrale électrique en amont du parc national du Mont Rainier en 2001, ce qui implique une réduction importante des émissions de dioxyde de soufre, passant de 87 756 tonnes en 1999 à 3 355 tonnes en 2005 (Clow et Campbell, 2008).

Les tendances saisonnières ont été identifiées dans les sources de sulfate secondaire, de nitrate secondaire, de sol et marines. Les mois de l’année au cours desquels chaque source a apporté sa plus forte contribution aux MP2,5 sur le site du Mont Rainier sont illustrés dans la Tableau 8.2.

 

Figure 8.10 Contributions de facteur FMP à la masse des MP2,5 sur le site du Mont Rainier.

Figure 8.10 Contributions de facteur FMP à la masse des MP2,5 sur le site du Mont Rainier. (Voir la description ci-dessous)

Remarques : Valeurs basées sur l’analyse FMP avec le FMP 3.0 de l’EPA sur les concentrations moyennes en 24 heures, et les concentrations du 90e centile en 24 heures, sur un échantillonnage effectué un jour sur trois pour les années 1991 à 1995 et 2000 à 2003. Station IMPROVE(53-053-00,14). (Rose, 2006).

Description de la figure 8.10

La figure 8.10 est un diagramme à barres empilées qui illustre les contributions des sources de MP2,5 en µg/m3 pour 1991 à 1995, et 2000 à 2003 au Mont Rainier. Les données pour chaque période de temps sont réparties en moyennes et en cas de 90e centile. Les données sont basées sur l'analyse FMP avec le FMP 3.0 de l'Environmental Protection Agency sur les concentrations moyennes en 24 heures, et les concentrations du 90e centile en 24 heures, sur un échantillonnage effectué un jour sur trois à la station IMPROVE(53-053-0014). (Rose, 2006).

Pour 1991 à 1995, les contributions moyennes des sources en µg/m3 sont environ les suivantes : nitrate secondaire, 0,5; sulfate secondaire, 1,5; éléments du sol, 0,5; sources mobiles, 0,5; milieu marin, 0,25; et biomasse, 2,25. Les contributions des sources au 90e centile en µg/m3 sont environ les suivantes : nitrate secondaire, 1,0; sulfate secondaire, 4,0; éléments du sol, 1,5; sources mobiles, 1,25; milieu marin, 0,5; et biomasse, 5,0.

Pour 2000 à 2003, les contributions moyennes des sources en µg/m3 sont environ les suivantes : nitrate secondaire, 0,5; sulfate secondaire, 1,0; éléments du sol, 0,5; sources mobiles, 0,25; milieu marin, 1,25; et biomasse, 2,25. Les contributions des sources au 90e centile en µg/m3 sont environ les suivantes : nitrate secondaire, 0,5; sulfate secondaire, 2,25; éléments du sol, 1,0; sources mobiles, 0,75; milieu marin, 0,5; et biomasse, 3,25.

 

Tableau 8.2 Variabilité saisonnière de la contribution de source la plus élevée aux MP 2,5 sur le site du Mont Rainier (Rose, 2006).
Source de MP2,5 Contribution de pointe
Biomasse
Octobre à mars
Activités maritimes
Mars à octobre
Sources mobiles
Aucune tendance
Sol
Mars à octobre
Sulfate secondaire
Avril à octobre
Nitrate secondaire
Avril à octobre
Description du tableau 8.2

Le tableau 8.3 a deux colonnes, portant les en-têtes « Source de MP2,5 » et « Contribution de pointe ». Voici les sources et leurs contributions de pointe :

  • Biomasse : Octobre à mars
  • Milieu marin : Mars à octobre
  • Sources mobiles : Aucune tendance
  • Sol : Mars à octobre
  • Sulfate secondaire : Avril à octobre
  • Nitrate secondaire : Avril à octobre

 

Seattle

Une étude sur la répartition par source par Wu et al., (2007) à l’aide des données de MP2,5 et de COV de Beacon Hill à Seattle, a indiqué que la combustion du bois (24 % à 31 %), le sulfate secondaire (20 % à 24 %) et le nitrate secondaire (15 % à 20 %) étaient les principaux contributeurs aux MP2,5. La Figure 8.11 illustre les estimations de contributions de sources des modèles du moteur multi-linéaire (ME-2) avec les données MP2,5seulement (à gauche) et avec les données MP2,5 et COV (à droite). L’étude a conclu que l’ajout des données COV aux données MP2,5spécifiées dans la modélisation de la répartition par source a permis d’obtenir des estimations de contributions de sources plus précises pour les sources de combustion inhérentes.

 

Figure 8.11 Contributions de facteur FMP à la masse des MP2,5 à Beacon Hill (Seattle).

Figure 8.11 Contributions de facteur FMP à la masse des MP2,5 à Beacon Hill (Seattle). (Voir la description ci-dessous)

Remarques : Valeurs fondées sur l’analyse du FMP avec le moteur multi-linéaire (ME-2) de la moyenne des concentrations sur 24 heures, à partir de l’échantillonnage effectué un jour sur trois pour les années 2000 à 2004. La barre empilée à gauche indique les résultats générés par le modèle avec les données sur les MP2,5 seulement avec une contrainte de 100 %. La barre empilée à droite indique les résultats générés à partir du modèle de données combinées de MP2,5 et COV avec une contrainte de 100 %. Station IMPROVE(53-033-0080). (Adapté de Wu et al., 2007).

Description de la figure 8.11

La figure 8.11 est un diagramme à barres empilées qui illustre les contributions des sources de MP2,5 en µg/m3 pour Beacon Hill, à Seattle. Les données sont divisées de façon à ce que celles concernant seulement les MP2,5soient à la gauche, et celles concernant les MP2,5 et les COV soient à la droite. Une note indique que les données sont fondées sur l'analyse du FMP avec le moteur multi-linéaire (ME-2) de la moyenne des concentrations sur 24 heures, à partir de l'échantillonnage effectué un jour sur trois pour les années 2000 à 2004. La barre empilée à gauche indique les résultats générés par le modèle avec les données sur les MP2,5 seulement avec une contrainte de 100 %. La barre empilée à droite indique les résultats générés à partir du modèle de données combinées de MP2,5 et COV avec une contrainte de 100 %. La station de Beacon Hill (à Seattle) est une station du réseau IMPROVE(station 53-033-0080). (Adapté de Wu et al., 2007).

Pour les MP2,5 seulement, les contributions des sources en µg/m3 sont environ les suivantes : chauffage au bois, 2,4; sulfate secondaire, 1,6; nitrate secondaire, 1,3; diesel 1, 0,7; diesel 2, 0,25; essence, 0,25; combustible, 0,75; milieu marin, 0,1; éléments du sol, 0,15; sel de mer ancien, 0,5.

Pour les MP2,5 et les COV, les contributions des sources en µg/m3 sont environ les suivantes : chauffage au bois, 1,9; sulfate secondaire, 2,0; nitrate secondaire, 1,5; diesel, 0,8; essence, 0,25; combustible : 0,5; milieu marin, 0,1; éléments du sol, 0,25; sel de mer ancien, 0,3; et autres, 0,3.

 

8.7.3 Composition et répartition par source des matières particulaires de la vallée du bas Fraser, au cours de l’étude sur la qualité de l’air Pacifique 2001

L’étude sur la qualité de l’air Pacifique 2001 a été menée pour établir les caractéristiques des propriétés physiques et chimiques des matières particulaires dans la vallée du bas Fraser et pour fournir des données détaillées pour l’élaboration de modèles de la qualité de l’air (Vingarzan et Li, 2006). Cinq sites terrestres principaux ont été utilisés pendant la période de l’étude du 13 au 31 août, comme illustré dans la Figure 8.12. Ils comprenaient : le tunnel Cassiar, sur le site urbain de Vancouver; Slocan, un site urbain-suburbain à Vancouver; Langley, un site rural dans le centre-sud de la vallée du bas Fraser; Sumas, un site semi-rural dans l’est de la vallée du bas Fraser; Golden Ears, un site élevé sur les montagnes de la rive nord. De nombreux échantillons terrestres ont été prélevés pendant cette étude; des balayages LIDAR, des profilages verticaux ainsi que des mesures par radiosondes et par avion ont également été effectués.

Figure 8.12 Emplacements de la station de la vallée du bas Fraser pendant l’étude Pacifique 2001 (Vingarzan et Li, 2006).

Figure 8.12 Emplacements de la station de la vallée du bas Fraser pendant l’étude Pacifique 2001 (Vingarzan et Li, 2006). (Voir la description ci-dessous)

Description de la figure 8.12

La figure 8.12 est une carte de relief de la vallée du bas Fraser au nord du 49e parallèle, et comprenant les montagnes de la rive nord. Les emplacements des stations au tunnel Cassia, à Slocan, à Langley, à Sumas et aux Golden Ears sont indiqués par des flèches. Comme il est décrit dans le texte, le tunnel Cassia est situé dans une région urbaine de Vancouver, Slocan est un site urbain-suburbain au sud-est de Vancouver; Langley est un site rural dans le centre-sud de la vallée du bas Fraser, Sumas est un site semi-rural dans l'est de la vallée du bas Fraser, et Golden Ears est un site élevé sur les montagnes de la rive nord, entre le lac Pitt et le lac des Esclaves.

 

Il s’est avéré que plusieurs régimes chimiques influençaient la qualité de l’air dans la région de la vallée du bas Fraser. Au niveau du tunnel Cassiar, les aérosols ambiants étaient fortement dominés par les émissions dégagées par l’essence et le diesel, ce dernier étant démontré par les niveaux élevés de carbone noir. À Slocan, la composition des aérosols ambiants indiquait un régime contrôlé par les émissions et dominé par des substances organiques, d’origine anthropique et biogénique. Les émissions anthropiques ont été fortement influencées par les émissions automobiles et fugitives des carburants à base de pétrole. On a observé que les panaches des bateaux naviguant autour de la zone ou amarrés touchaient régulièrement la ville (Lu et al., 2006). Au site rural de Langley, le régime de MP2,5 était contrôlé par la formation d’aérosols secondaires. Ici, la composition moyenne des particules était dominée par des substances inorganiques avec des contributions du sel de mer, du sulfate, des espèces d’azote et de vieilles substances organiques. Les marqueurs élevés pour l’ammoniac et la combustion de la biomasse reflétaient l’influence des sources agricoles. Au site semi-rural de Sumas, la composition de la masse des particules indiquait un régime mixte émissions-formation dominé par des sources urbaines, agricoles et biogéniques. Au site forestier de Golden Ears, la composition des particules était dominée par des substances organiques biogéniques. Les propriétés chimiques sur ce site ont été touchées par des sources anthropiques en raison d’un débit de vent en pente ascendante, tandis que les aérosols organiques secondaires (AOS) d’origine biogénique ont été transportés vers la vallée du bas Fraser par un débit de vent en pente descendante.

Des études relatives à la composition des particules menées sur un grand nombre de sites ont indiqué que le carbone organique constituait environ la moitié de la masse desMP1,0, le reste étant composé d’espèces inorganiques. Le sulfate dominait la fraction inorganique du mode particules fines sur tous les sites. Il s’est avéré que les propriétés chimiques du sel de mer étaient importantes dans la formation d’aérosols de nitrate de sodium en mode grosses particules. La proportion de particules fines était dominée par des aérosols de sulfate d’ammonium, avec des pics occasionnels de nitrate d’ammonium. Globalement, le carbone élémentaire comprenait une partie mineure de la fraction de particules fines. L’isoprène et les monoterpènes étaient les hydrocarbures biogéniques dominants détectés, et leur présence sur tous les sites indiquait l’influence généralisée des substances organiques biogéniques dans toute la vallée du bas Fraser.

L’analyse des sources utilisant des méthodes isotopiques indiquait que la vallée du bas Fraser était influencée par une source de sulfate bien dispersée, concordant avec la combustion de l’essence, du diesel et du gaz. Les contributions biogéniques se sont avérées significatives, et on a estimé qu’environ 30 % du sulfate dans les aérosols de MP2,5 provenaient de l’oxydation du sulfate de diméthyle. Il s’est avéré que les aérosols organiques avaient des contributions significatives issues de sources terrestres (végétaux) pendant les mois d’été, et de sources maritimes, biogéniques et des carburants fossiles pendant les mois de printemps. La combustion de la biomasse avait généralement une incidence faible mais mesurable sur la composition d’aérosols ambiants dans la vallée du bas Fraser. L’importance de la combustion des matières biogéniques et des combustibles (notamment émise par les voitures), tel qu’il est déterminé par l’étude Pacifique 2001 dans la vallée du bas Fraser, est semblable aux conclusions de Wu (2007) Seattle.

On a observé que la formation et la croissance des particules se produisaient par l’entremise de plusieurs mécanismes. On a observé une nucléation pendant les journées plus propres, tandis que lors des journées plus polluées, la condensation et la coagulation dominaient la croissance des particules. On a associé les épisodes d’ozone à une hausse de la taille et de la masse des particules. On a associé les événements de croissance du sulfate à la production chimique à partir de l’advection de SO2 par des sources industrielles dans le nord-ouest de l’état de Washington. Dans la ville de Vancouver, on a observé que les pics de concentrations de sulfate étaient associés aux émissions des panaches des navires. On a associé les événements de particules fines de nitrate à l’advection du HNO3 dans l’est de la vallée du bas Fraser qui réagit avec des sources locales d’ammoniac. On a associé les événements de croissance des particules organiques à des conditions stagnantes et à l’advection d’air au-dessus de la zone urbaine de Vancouver. On a constaté que la portée du traitement des masses d’air augmentait dans une direction ouest vers est, bien que les polluants vieillis photochimiquement de la zone où le détroit de Juan de Fuca converge avec le détroit de Georgia puissent inverser ce gradient. On a observé que les deux espèces biogéniques et anthropiques étaient réactives sur le plan chimique et qu’elles contribuaient à la formation d’aérosols secondaires.

8.8 Résumé du chapitre

Les matières particulaires (MP2,5) sont une source de préoccupation pour la santé parce qu’elles se situent dans une fourchette de taille qui est facilement inhalée par les poumons. Des niveaux élevés de MP2,5 sont également responsables de la dégradation de la visibilité. Les contaminants les plus importants responsables de la formation secondaires de MP2,5incluent le NOx, le SO2, le NH3 et les composés organiques. Dans l’atmosphère, ces contaminants sont transformés par des processus chimiques et physiques en nitrate d’ammonium, sulfate d’ammonium et carbone organique. Le carbone élémentaire (provenant de la combustion de matières organiques), le sel de mer et le sol contribuent également aux émissions de matières particulaires.

Les concentrations de MP2,5 dans la zone atmosphérique du bassin de Georgia-Puget Sound peuvent atteindre des sommets en automne ou en hiver (en raison des émissions provenant du chauffage et de la combustion du bois et de la dispersion réduite aux faibles hauteurs de la couche limite) ou à la fin de l'été (en raison des conditions photochimiques améliorées). Les cycles quotidiens comprennent les heures de pointe sur les sites urbains, les valeurs de pointe le soir sur la plupart des sites et les niveaux élevés le soir et au cours de la nuit, associés à des faibles hauteurs de couches de mélange. Les concentrations de MP2,5 dans le bassin atmosphérique sont généralement inférieures aux données des objectifs et normes, à l’exception notable de la zone de non-conformité de Wapato Hills-vallée du fleuve Puyallup, dans l’état de Washington. En dehors de la zone de non-conformité, les MP2,5présentent de légères baisses dans les niveaux de concentrations ambiantes et de fond, bien que les données récoltées jusqu’ici soient encore trop limitées pour permettre de calculer des tendances précises.

Bien que la composition de la MP2,5 varie par endroits dans le bassin atmosphérique, il a été déterminé que le carbone organique est la composante principale de la matière particulaire, suivie du sulfate d'ammonium et du nitrate d'ammonium. Les contributions liées aux pics de sulfate en été sont dues aux émissions supérieures de sulfure biogénique et aux taux plus élevés de conversion photochimique de SO2 en sulfate. À l’inverse, les concentrations de nitrate maximales se produisent en hiver, car la formation de nitrate est favorisée par des températures plus froides et une humidité plus élevée. Lorsque l’ammoniac est présent en abondance, la production de nitrate d’ammonium est favorisée pendant les saisons agricoles actives.

Les principales sources des concentrations de MP2,5 ambiantes dans la partie canadienne de la vallée du bas Fraser sont les émissions des véhicules, des activités maritimes, de l’industrie, et de l’agriculture. Les différences spatiales comprennent une plus forte influence du transport maritime dans la partie ouest du bassin atmosphérique. Parmi les influences saisonnières, mentionnons la combustion du bois, les émissions secondaires de nitrate et les émissions des véhicules, qui sont importantes l'hiver, et l'augmentation des activités des navires et des influences biosynthétiques, qui sont plus importantes l'été. À Seattle, la combustion du bois, les sulfates secondaires et les nitrates secondaires sont les trois principaux contributeurs des MP2,5. À Tacoma, la combustion du bois, les particules secondaires ainsi que les véhicules automobiles, dominent la composition des MP2,5. À Mount Rainier, la contribution la plus importante à la composition des matières particulaires fines est celle de la biomasse provenant de sources de combustion naturelles et anthropiques. Entre le début des années 1990 et le début des années 2000, les concentrations moyennes de biomasse à Mount Rainier ont diminué de 42 % et les concentrations provenant de sources de sulfate secondaire ont diminué de 37 %. Cette dernière diminution reflète la mise en œuvre des contrôles des émissions industrielles au cours de cette période.

En résumé, les concentrations de MP2,5 dans le bassin atmosphérique du bassin de Georgia et de Puget Sound respectent d'une manière générale les normes nationales et les objectifs régionaux, mais les épisodes de concentrations élevées de matière particulaire continuent à avoir un impact dans certaines régions. Dans la plupart des régions, les concentrations de MP2,5ambiantes ont légèrement baissé au cours de la dernière décennie. La qualité de l’air futur dépendra des changements des niveaux de fond, du climat et des émissions locales et transportées.

8.9 Références

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