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La crise croissante de la pollution atmosphérique urbaine
L'Organisation mondiale de la santé estime que 99 % de la population mondiale respire de l'air qui dépasse ses limites de référence, les zones urbaines étant les plus touchées. Les stations de surveillance au sol sont depuis longtemps l'épine dorsale de la mesure de la qualité de l'air, mais elles sont intrinsèquement limitées en termes de couverture spatiale et de nombre. Les villes des pays à faible revenu et à revenu intermédiaire ont souvent des réseaux de surveillance clairs, laissant de vastes populations sans données fiables. Les satellites offrent un outil complémentaire puissant, offrant une vue d'oiseau et d'œil qui peut combler les lacunes, révéler les tendances de pollution et appuyer des stratégies de gestion plus efficaces.
Comment les satellites surveillent la pollution atmosphérique
Les satellites détectent la pollution atmosphérique à l'aide d'instruments de télédétection qui mesurent le rayonnement électromagnétique réfléchi ou émis par la surface et l'atmosphère de la Terre. Différents polluants absorbent ou diffusent la lumière à des longueurs d'onde spécifiques, ce qui permet aux scientifiques d'inférer leurs concentrations. Les principaux polluants que les satellites peuvent observer comprennent le dioxyde d'azote (NO2, le dioxyde de soufre (SO2, l'ozone (O3, le formaldéhyde (HCHO), le monoxyde de carbone (CO) et les aérosols (y compris les particules fines PM[2,5 et les PM10.
Principaux instruments et missions satellitaires
Plusieurs instruments satellites sont dédiés à la surveillance de la qualité de l'air. L'instrument de surveillance de la Terre (TROPOMI) à bord de l'Agence spatiale européenne’s Sentinel-5P, lancé en 2017, fournit des cartes quotidiennes à haute résolution des gaz à effet de traces et des aérosols avec une résolution spatiale aussi fine que 3,5 km. Cela permet d'observer les gradients de pollution dans chaque ville. Un autre cheval de travail est le Spectroradiomètre à imagerie à résolution modérée (MODIS) sur les satellites de la NASA’s Terra et Aqua, qui mesure la profondeur optique des aérosols (OOD) depuis plus de deux décennies, un proxy clé pour les particules.
Les satellites géostationnaires, comme les satellites Géostationnaires opérationnels environnementaux (GOES-R)[ et les satellites [Himawari[, offrent la capacité d'observer la pollution atmosphérique à intervalles sous-heures, captant la variation diurne des polluants.C'est essentiel pour comprendre les pics d'heure de pointe et le transport transfrontalier.L'instrument Émissions troposphériques : Surveillance de la pollution (TEMPO), lancé en 2023, est un capteur géostationnaire axé sur l'Amérique du Nord, qui fournit des mesures diurnes horaires de l'ozone, le NO2 et d'autres polluants à haute résolution spatiale.
Algorithmes de récupération et traitement des données
La conversion des mesures de rayonnement satellite brut en concentrations de polluants implique des algorithmes complexes qui tiennent compte de la réflectivité de surface, de la couverture nuageuse, de la diffusion atmosphérique et de la géométrie de vision. Par exemple, NO[2 la récupération utilise la spectroscopie d'absorption optique différentielle (DOAS) pour isoler le signal d'absorption du fond.
Avantages de la surveillance par satellite de la qualité de l'air urbain
Les satellites offrent plusieurs avantages distincts par rapport aux réseaux terrestres qui les rendent indispensables à la gestion de la pollution atmosphérique urbaine.
Couverture large et uniforme
Un seul satellite peut observer un continent entier en une journée, fournissant un ensemble de données cohérent au-delà des frontières politiques.Cette couverture uniforme est particulièrement utile pour comparer la qualité de l'air entre les villes ou les régions qui utilisent différentes normes d'instrumentation au sol.
Données en temps réel et quasi-réel
De nombreux satellites modernes traitent et fournissent des données en quelques heures de dépassement, et les plates-formes géostationnaires fournissent des mises à jour toutes les 10 minutes et 15 minutes.Cette capacité en temps quasi réel permet de mettre en place des systèmes d'alerte précoce pour les événements de pollution, comme les panaches de fumée provenant des feux de forêt ou des accidents industriels, et permet aux autorités de publier rapidement des avis de santé.
Analyse des tendances à long terme
Les données de l'OMI, par exemple, ont été utilisées pour démontrer l'efficacité des politiques de réduction des émissions des véhicules dans de nombreuses villes. Une étude publiée dans Asmospheric Chemistry and Physics a montré que les concentrations de NO[2 dans les grandes villes américaines ont diminué de 20–50 % entre 2005 et 2015, en corrélation avec des règlements plus stricts de l'EPA.
Identification des points chauds et des sources de pollution
Par exemple, les colonnes élevées de NO[2 sur des centrales électriques, des autoroutes ou des ports spécifiques sont clairement visibles dans les données de TROPOMI. Ces informations aident les organismes de réglementation à cibler l'application et à prioriser les efforts d'atténuation. À Delhi, les observations par satellite ont été utilisées pour déterminer la contribution de la combustion agricole dans les États voisins aux pics de pollution hivernale, en informant la politique sur la gestion des chaumes.
Gestion de la qualité de l'air urbain avec données satellitaires
L'intégration des données satellitaires dans les cadres de gestion de la qualité de l'air transforme la façon dont les villes élaborent et évaluent les politiques.
Information sur l'urbanisme et la gestion du trafic
Les urbanistes peuvent superposer des cartes de pollution par satellite avec des données sur l'utilisation des terres pour comprendre la relation spatiale entre les émissions et les environnements bâtis. Par exemple, les zones à faible émission (ZLE) peuvent être conçues en fonction des concentrations de NO[2 observées le long des routes principales.
Soutien à la conformité réglementaire et à l'évaluation des politiques
Aux États-Unis, l'EPA a commencé à intégrer les données de l'AOD satellitaire dans son système AirNow pour améliorer les estimations des particules[2,5 dans les domaines où la surveillance est limitée. Les décideurs politiques peuvent utiliser des données sur les tendances satellitaires pour quantifier l'impact de réglementations spécifiques, telles que les plafonds d'émission industriels ou les normes sur les carburants.
Demandes de santé publique
Les estimations de la qualité de l'air provenant de satellites sont de plus en plus utilisées dans les études épidémiologiques pour évaluer les effets de l'exposition à long terme sur la santé.L'étude sur le fardeau global des maladies repose sur des estimations de la mortalité et de la morbidité à l'échelle mondiale, lesquelles sont fondées sur des particules par satellite[2,5.
POLLUTION TRANSFRONTIÈRE
La pollution atmosphérique ne respecte pas les frontières. Les satellites sont particulièrement adaptés pour suivre le transport à longue distance de polluants, tels que la poussière du Sahara qui atteint les villes européennes ou la fumée de feu de forêt traversant les continents. Ces informations sont essentielles pour comprendre les événements locaux de qualité de l'air qui proviennent de l'extérieur des limites de la ville.
Défis et limites de la surveillance par satellite
Malgré leurs nombreux avantages, la surveillance de la pollution atmosphérique par satellite est confrontée à des défis importants qui doivent être relevés pour maximiser son utilité.
Couverture nuageuse et lacunes de récupération
La plupart des capteurs passifs (ceux qui dépendent du soleil) ne peuvent pas voir à travers les nuages, ce qui signifie que les données satellitaires sont souvent manquantes pendant les conditions de couvert, ce qui peut être fréquent dans de nombreuses zones urbaines.Par exemple, des villes comme Londres et Seattle connaissent une couverture nuageuse importante, limitant le nombre d'observations valides.Cette limitation peut introduire des biais dans les moyennes à long terme si les jours nuageux correspondent à différents régimes de pollution.
Échanges de solutions spatiales et temporelles
La haute résolution spatiale est souvent au prix de la fréquence temporelle. Les satellites en orbite terrestre basse comme Sentinel-5P fournissent des images à haute résolution mais seulement une fois par jour (à un moment local fixe). Les satellites géostationnaires offrent une haute résolution temporelle mais généralement une résolution spatiale plus grossière.
Résolution verticale et concentrations de surface
Les satellites mesurent la colonne totale ou une colonne partielle de polluants, qui comprend les contributions de la troposphère libre. La conversion de ces substances en concentrations de surface et en mdash; qui sont les plus pertinentes pour l'exposition humaine et le mdash; exige des modèles complexes qui tiennent compte du mélange vertical.
Étalonnage et validation
Les relevés par satellite doivent être validés par rapport aux observations au sol de haute qualité, ce qui nécessite un réseau dense d'instruments de référence tels que AERONET[ pour les aérosols et les spectromètres Pandora pour les gaz traces.
Intégration des données satellitaires à d'autres sources
L'approche la plus efficace de la gestion de la qualité de l'air urbain combine les données satellitaires avec les mesures au sol, les modèles atmosphériques et la science citoyenne.
Fusion de données et apprentissage automatique
Par exemple, les GP[2.5Grids[ du Centre de données et d'applications socio-économiques (SEDAC) combinent les résultats des modèles de DAO, de mesures au sol et de transport chimique pour créer des cartes mondiales à résolution 1 km. Ces produits sont mis à jour annuellement et largement utilisés pour les évaluations des impacts sur la santé.
Modèles de transport chimique
Les systèmes d'assimilation des données, tels que le Service de surveillance de l'atmosphère du Copernicus (CAMS)[, intègrent des prélèvements par satellite dans des modèles numériques qui simulent le transport, la chimie et les dépôts de polluants.Cette intégration améliore les prévisions du modèle et fournit une image dynamiquement cohérente de la qualité de l'air.
Science citoyenne et capteurs à faible coût
Bien que ces capteurs aient des limites de précision, des réseaux denses peuvent fournir une haute résolution spatiale près du sol. Lorsqu'ils sont combinés avec des données satellitaires, ils peuvent capter des variations hyperlocales, telles que la pollution dans certaines rues ou près de bâtiments individuels, que les satellites ne peuvent résoudre. Des projets comme ]uRADMonitor démontrent le potentiel des données de contribution citoyenne pour augmenter les observations satellitaires.
Orientations futures et progrès technologiques
La prochaine génération de missions par satellite promet de surmonter de nombreuses limites actuelles et d'améliorer encore la gestion de la qualité de l'air en milieu urbain.
Constellations géostationnaires de prochaine génération
Le TEMPO (Amérique du Nord), Sentinel-4 (Europe), et GEMS[ (spectromètre de surveillance de l'environnement géostationnaire, sur l'Asie) forment une constellation mondiale de capteurs géostationnaires de la qualité de l'air. Pour la première fois, ils fourniront des mesures horaires de jour des polluants clés au-dessus des principaux centres de population, ce qui permettra de suivre les émissions d'heures de pointe, la formation photochimique d'ozone et les événements de pollution en temps quasi réel, améliorant considérablement la résolution temporelle des données satellitaires dans les zones urbaines.
Capteurs hyperspectraux et multiangles
Les missions futures porteront des instruments de résolution spectrale plus élevés capables de détecter plus de polluants et de distinguer entre les types d'aérosols (p. ex. poussière, fumée, brume urbaine). Les polarimètres multiangles, tels que Imager multiangle pour les aérosols (MAIA)[, mission conjointe NASA-JAXA, fourniront des informations détaillées sur les propriétés des particules d'aérosols, y compris leur taille, leur forme et leur composition, ce qui améliorera les estimations des particules2.5, des composants comme le sulfate, le nitrate et le carbone noir.
Intégration avec les petits et les petits cubes
La miniaturisation des capteurs optiques a ouvert la porte à des constellations de petits satellites qui peuvent fournir à la fois une haute résolution spatiale et temporelle. Des entreprises comme Planet Labs exploitent déjà des centaines de petits satellites pour l'imagerie terrestre. Des constellations similaires optimisées pour la qualité de l'air pourraient fournir de multiples observations par jour sur n'importe quelle zone urbaine, comblant l'écart entre les capacités d'orbite polaire et géostationnaire.
Intelligence artificielle et assimilation des données
Les progrès de l'apprentissage automatique, en particulier l'apprentissage profond, améliorent les algorithmes de récupération par satellite et les techniques de fusion de données. Les réseaux neuronaux peuvent être formés pour corriger la contamination des nuages, améliorer la résolution spatiale par des techniques de superrésolution et mieux estimer les concentrations de surface à partir des mesures de colonnes.
Incidences politiques et coopération mondiale
Le programme de l'Organisation météorologique mondiale et ses activités de veille de l'atmosphère mondiale (GAW) coordonne l'utilisation des données satellitaires et terrestres pour les évaluations de la qualité de l'air et du climat. Les efforts du Programme des Nations Unies pour l'environnement et ses activités de surveillance de l'environnement pour surveiller l'objectif de développement durable 11.6 (réduire l'impact environnemental des villes, y compris la qualité de l'air) reposent de plus en plus sur des indicateurs dérivés des satellites.
Les gouvernements nationaux intègrent également la surveillance par satellite dans leurs cadres réglementaires.Le Programme national pour l'assainissement de l'air (NCAP) utilise des données satellitaires pour identifier les villes non-divertissantes et évaluer l'impact des interventions.Le ministère de l'écologie et de l'environnement publie régulièrement des indices de qualité de l'air par satellite.
Conclusion
Les satellites sont devenus un outil indispensable pour lutter contre la pollution atmosphérique urbaine, qui fournit les observations à grande échelle, cohérentes et quasi-réelles nécessaires pour comprendre les sources de pollution, suivre les tendances et évaluer l'efficacité des politiques.Bien que des défis comme la couverture nuageuse, la résolution verticale et la validation demeurent, le rythme rapide de l'innovation technologique et de la mise en valeur des ressources naturelles, des capteurs géostationnaires aux petites constellations de satellites et à l'analyse de l'IA et de la mise en valeur des ressources naturelles, surmontent constamment ces obstacles.L'avenir de la gestion de la qualité de l'air urbain réside dans l'intégration sans faille des observations satellitaires aux réseaux terrestres, aux modèles et aux données des citoyens.
Pour plus de détails, voir le ], NASA Earth Observatory[, et le World Health Organization air pollution fif fact feed[.