Evolution des émissions des composés chimiques de 1960 à 2100

La conférence IGAC
Evolution des émissions
des composés chimiques à la surface
Claire GRANIER
Service d’Aéronomie
CNRS et Université Pierre et Marie Curie
IGAC = International Global Atmospheric
Chemistry Project
IGAC est un projet du Programme
international Geosphere- Biosphere (IGBP)
La 10ème conférence IGAC a eu lieu du 6 au 12
septembre à Annecy: ~530 participants de 39 pays.
Le thème de la conférence était:
“Bridging the scales”
www.igacfrance2008.fr
Quelques thèmes de recherche mis en valeur lors de la
conférence IGAC:
Æ Emissions : nécessite de développer des modèles des
échanges à la surface
Æ Processus chimiques sur la glace
Æ Source, mécanismes de production et quantification
du rôle des SOA dans l’atmosphère
Æ Nombreuses analyses d’observations spatiales, avec
une bonne résolution spatiale
Æ Rôle des nanoparticules biogéniques dans le cycle
des aérosols
Æ Avancées dans les recherches menées en Afrique
(AMMA) et en Amérique du sud (Mégalopoles)
Æ Rôle de l’Asie du Sud-Est et des tropiques dans les
tendances futures
Augmentation des émissions de nombreux
composés chimiques présents dans l’atmosphère
Î perturbations
- de la qualité de l’air
- du climat
Compose
chimique
CO2
CH4
N2O
CO
NOx
COVs
SO2
Carbone
suie
Carbone
organique
Impact
Impact
direct sur le indirect sur
climat
le climat
Impact direct
sur la qualite
de l’air
Impact
indirect sur la
qualite de l’air
Catégories d’émissions:
- Anthropiques
industries, transport, chimie, déchets, …
- Naturelles:
végétation, sols, océans, volcans, éclairs
- Combustion de la biomasse
Feux de forêts, déforestation
- Basses et moyennes latitudes:
90% d’origine humaine
- Hautes latitudes: origine humaine
et naturelle
Emissions de carbone suie (Tg C/an)
Fuel fossile
Combustion de la biomasse
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Amerique Amerique
Nord
Sud +
Central
Asie
Europe
FSU
Afrique
Oceanie
Calcul des émissions
Emission =
Σ(F A )
Intégration dans l’espace
x
Caractérisation
des activités
Estimation des
facteurs d’émission
+ ajout des variations temporelles
Augmentation des émissions anthropiques liée à la forte
croissance de l’utilisation des combustibles fossiles
4000
3500
2500
2000
1500
1000
500
Solid fuel consumption
Liquid fuel consumption
1990
1985
1980
1975
1970
1965
1960
1955
1950
1945
1940
1935
1930
1925
1920
1915
1910
1905
1900
1895
1890
1885
0
1880
Tg fuel consum ed
3000
Global Trend In Motor Vehicles
Evolution du nombre total de véhicules sur la terre
Millions of Vehicles
900
900
Motorcycles
800
Commercial Vehicles
Cars
800
700
700
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
1930
0
1935
TNO inventory
1940
1945
1950
1955
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
Augmentation des émissions de CO2 et CO depuis le
début du 20ème siècle
CO2 anthropogenic emissions (Tg CO2/year)
1900
1910
1920
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
(1) Europe
(11+12) USA+Canada
(4) Asia-East
(3+5) Asia-S+SE
(7-10) Africa
(13-15) Amer S.
CO anthropogenic emissions (Tg CO/year)
1900
1910
1920
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
(1) Europe
(11+12) USA+Canada
(4) Asia-East
(3+5) Asia-S+SE
(7-10) Africa
(13-15) Amer S.
Incertitudes importantes sur les émissions:
Exemple: différence entre les proportions d’espèces
émises suivant les villes
Los Angeles
Nairobi
Santiago
Pune
Mexico
Sao Paulo
Lima
14
12
Emission Rate (g/km)
10
8
6
4
2
0
CO/10
VOC
NOx
PM*10
CO2/40
From Behrentz et al., 2007
Incertitudes importantes sur les émissions.
Exemple: différences importantes entre les inventaires de SO2
développés pour les échelles globales (EDGAR) et régionales (EMEP)
8000
7000
6000
Gg SO2
5000
4000
3000
2000
1000
0
AUT
BEL
1990-EMEP
DNK
DEU
FRA
1990-EDGAR
ITA
NLD
1995-EMEP
PRT
ESP
1995-EDGAR
GBR
Autre incertitude:
évolution des émissions
en Asie
Æ Utilisation des
observations par
satellite pour quantifier
les tendances
Emissions dues à la combustion de la biomasse
Origine:
- feux de forêts
- déforestation
- feux de brousse
- incendies criminels
Calcul des émissions :
Emissions(CO2) = BA x BD x BE x EF
BA = surface brûlée (m2)
BD = densité de biomasse (g/m2)
BE = efficacité du feu (proportion of biomasse brûlée)
EF = facteur d’émission (g/kg matière sèche)
Impact des feux sur la qualité de l’air en Europe
« aerosol index »
measuré par
l’instrument OMI
le 25 août 2007:
Carbone suie dû
aux feux sur le
Peloponnèse et
transport vers la
Libye.
localisation par satellite : Feux en Afrique en 1992
Variablité des émissions dues à la combustion de la biomasse
entre 1997 et 2005
Monthly CO2 emissions
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2500
2000
2000
CO2 emissions (Tg-CO2)
Emission de CO2 (Tg CO2/an)
2500
1500
1500
1000
1000
500
500
00
J
1
F
2
3
M
A
4
5
M
J
6
7
J
8
A
9
S
O
10
11
N
month
Æ Difficulté pour évaluer les variations à long terme
(passées et futures)
D12
Utilisation des observations par satellites
Æ valeurs différentes suivant les satellites utilisés
Æ mesures à différentes heures de la journée
Æ incertitudes dans les restitutions des observations
Reconstruction historique à partir d’un ensemble de
données diverses: 1900 à 2000
CO2 emissions from biomass burning
1900-10
1910-20
1920-30
1930-40
1940-50
1950-60
1960-70
1970-80
1980-90
1990-2000
5000
4500
4000
Tg CO2
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Siberia
Asia+Oceania
N. America
S. America
Africa
Emissions naturelles
Très diverses:
- émissions des COVs par la végétation
- émissions de composés azotés par les sols
- émissions de méthane dans les zones inondées
- émissions de NOx par les éclairs
- émissions de poussières par les sols
- émissions de composés variés par les océans
etc
Exemple de calcul des émissions de COVs par la végétation:
Le modèle MEGAN (Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature )
Temperature,
solar radiation
Solar Angle
Leaf Area
Plant
Functional
Type fractions
Plant Functional
Type emission
factors
Change in leaf
area
Humidity,
wind, soil
moisture
Ozone and other
oxidants, reactive
nitrogen, CO2, VOC
Canopy Environment: Emission
activity, Escape efficiency
Emission Factor
Emission
Rate
• Chemical
Leaf Age: emission
activity
• Physical
• Biological
Types de végétation dans le modèle MEGAN
Moss,
grass
and other
forbs
Crops
Bare
ground
or
water
Fineleaf
evergreen
trees
Fineleaf
deciduous
trees
Broadleaf
trees
Shrubs
Une autre source naturelle importante: le monoxyde
d’azote produit par les éclairs
Production globale de NOx : 2-20 TgN/yr
Important pour le bilan de l‘ozone:
- source en haute altitude
- environnement propre
- Très grande variabilité spatiale et temporelle
Emissions de poussières
Mineral dust emissions: depends on wind speed, soil moisture
Æ increase of 10% in a future climate (IPCC, 2001)
large uncertainty, especially at the regional scale
Emissions océaniques
- ocean temperature change Æ plankton bloom change
climate change Æ winspeed change
may lead to a change in DMS emissions of a few %
- emissions of sea salt are strongly dependent on wind speed
future climate : increase of sea-salt by as much as 75% (IPCC,
2001)
Emissions futures: scénarios établis par le GIEC
[Groupement Intergouvernemental pour l’Etude du Climat]
Principales caractéristiques des scénarios
Main driving forces in the 4 marker scenarios: index of 2020 values
1990 = 1
3,0
2,5
A1B
A2
B1
B2
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Population
Global GDP
Ratio of
income/cap
DC/LDC
Primary energy
% Coal in
% Non-fossil in
primary energy primary energy
Scénarios du GIEC: grande diversité des émissions futures
CO2
N2O
CH4
SO2
Evolution des émissions de NOx de 1990 a 2100
Conclusions
- Emissions d’origines très variées
- Grande variabilité spatiale et temporelle
- Quantification des émissions et de leurs tendances
encore peu précise
- Très grandes incertitudes sur les émissions
anthropiques futures; incertitudes encore plus
importantes pour les émissions dues à la combustion de
la biomasse
- Emissions naturelles: importance de développer des
modèles détaillés prenant en compte de nombreux
facteurs
Very preliminary results of the intercomparison of emissions
anthropogenic emissions of CO
CO anthropogenic emissions - East Asia
CO anthropogenic emissions - World
RETRO
EDGAR FT
GICC-S1
GAINS
xx
HYDE 1.3
xx
700
140
CO emission (Tg CO/yr)
800
160
600
500
400
300
200
100
RETRO
EDGAR-FT
GICC-ev
GICC-S1
REAS
GAINS
120
100
80
60
40
20
0
0
1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2005
1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2005
CO anthropogenic emissions - North America
HYDE 1.3
RETRO
EDGAR-FT
GICC-S1
EPA-US
GAINS
200
180
CO emission (Tg CO/yr)
CO Emissions (Tg CO/yr)
HYDE 1.3
160
140
120
100
80
60
40
20
0
1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2005
Î Important to involving regional inventories