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Quelle qualité de l'air dans les zones aéroportuaires ?

Quelle est la nature des émissions polluantes dans les zones aéroportuaires où décollent et atterrissent des avions mais où circulent également des automobiles, des bus et des véhicules techniques, et comment ces émissions se transforment et se dispersent-elles dans l'atmosphère? Telles sont les principales questions auxquelles Airpur, le projet de recherche fédérateur (PRF) de l'Onera, lancé en 2001, et prolongé jusqu'en 2006, cherche à apporter des réponses. En octobre 2004 et juin/juillet 2005, deux campagnes de mesures de la qualité de l'air et des émissions des moteurs d'avions ont été menées à l'aéroport de Paris Charles de Gaulle. S'il ressort des premières analyses que les concentrations en nombre et en masse des particules ultra-fines, mesurées par deux méthodologies différentes, présentes dans l'air restent largement inférieures à celles observées dans les milieux urbains, des résultats plus complets sont attendus courant 2006.

Petit inventaire des émissions polluantes associées au système aéroport

Dans le Département Mesures physiques (DMPH) que dirige Pierre Touboul, l'équipe Environnement Atmosphérique, à laquelle appartient Richard Ramaroson, maître de recherche, développe principalement des modèles numériques afin de mieux comprendre quel est le véritable impact des émissions des moteurs d'avions sur l'atmosphère et, plus généralement, le rôle joué par le transport aérien dans le réchauffement climatique de la Terre. "Nous travaillons plus particulièrement sur la modélisation de l'impact des émissions des moteurs d'avions en croisière à l'échelle globale, c'est-à-dire sur l'ensemble de la Terre et le climat, complétée par de la modélisation à l'échelle régionale dans les grands corridors aériens", résume le chercheur de Châtillon. Au cours de la dernière décennie, cette équipe a été impliquée dans différents programmes nationaux et européens. Consacré à l'impact des avions subsoniques sur l'atmosphère et sa chimie, le projet Aerochem financé par la Communauté Européenne, qui s'est achevé en 2000, en est un parfait exemple. Rappelons que précédemment, la même équipe avait participé à AEAP ("Atmospheric Effects of Aviation Project"), un important programme de la Nasa, développé dès le début des années 1990, qui portait à la fois sur l'impact des avions subsoniques et supersoniques. "Après sélection, la Nasa a retenu notre modèle numérique", rappelle avec une certaine fierté Richard Ramaroson.

Quatre départements de l'Onera, impliqués dans ce projet de recherche fédérateur

Au début des années 2000, cette équipe s'est engagée parallèlement dans l'étude des problèmes de pollution et de qualité de l'air que connaissent les zones aéroportuaires. "L'idée a été initiée à l'occasion d'une journée scientifique Onera à laquelle nous avions convié en particulier des responsables européens, des scientifiques, des industriels et des organismes de l'aéronautique. Beaucoup d'idées novatrices ont été proposées à cette occasion. C'est ainsi qu'est né Airpur, un projet de recherche fédérateur de l'Onera, centré sur la caractérisation des émissions aéroportuaires et la prévision de la qualité de l'air dans les aéroports", explique Richard Ramaroson. Quand on évoque les zones aéroportuaires et les problèmes environnementaux auxquels sont confrontés ces lieux si particuliers, nombreux sont ceux qui tout naturellement pensent essentiellement aux avions comme principale source de pollution. "En fait, ces sources sont d'origines diverses. Certes il y a les avions, mais aussi les automobiles, les bus et tous les véhicules techniques qui circulent sur le tarmac de ces aéroports. Il faut également prendre en compte les centrales thermiques présentes sur ces sites et les industries qui sont implantées dans leur environnement", résume le responsable du projet Airpur.

Quatre départements de l'Onera (DSNA, DEFA, DMPH et DOTA) participent à ce PRF, soit environ une quinzaine de personnes. Il faut y ajouter des chercheurs du monde académique qui y collaborent comme ceux du Coria (COmplexe de Recherche Interprofessionnelle en Aérothermochimie), du Certam (Centre d'Etude et de Recherche Technologiques en Aérothermique et Moteur), du Lisa (Laboratoire Inter-universitaire des Systèmes Atmosphériques) et de l'Ineris (Institut national de l'environnement industriel et des risques), auxquels il faut ajouter la participation d'une PME, du laboratoire technique des Aéroports de Paris, de la direction environnement de Air France, et un centre de recherche allemand. La première étape de ce travail a consisté à collecter les informations concernant la nature des différentes émissions (avions, automobiles, bus, véhicules techniques, centrales thermiques) dans cette zone aéroportuaire afin d'établir une base de données, ce qui a nécessité un maillage progressif de l'ensemble de l'aéroport Roissy Charles de Gaulle.

Maillage du sol et des bâtiments pour le calcul par le code Cedre
de transport de polluants dans une zone représentative de l'aéroport d'Orly

Disposant de l'ensemble des émissions, il restait alors aux chercheurs à modéliser le devenir de ces gaz et de ces particules à l'aide de programmes informatiques extrêmement complexes qui prennent en compte de nombreux paramètres aussi différents que la nature du terrain, les mouvements de l'atmosphère ou encore les réactions chimiques. "Pour modéliser la qualité de l'air, nous utilisons des modèles imbriqués à maillage varié et très fin, appelés multi-échelles, incluant les pistes de roulage, de décollage et les routes. Les domaines spatiaux d'application des modèles numériques sont imbriqués et de taille variable, afin de permettre la modélisation des effets des petites échelles atmosphériques et d'émissions sur la qualité de l'air local et sur les grandes échelles et vice-versa. La taille du plus petit domaine couvre horizontalement 15 km sur 12 km. Ce premier domaine est centré sur l'aéroport Charles de Gaulle, le sommet atteignant 10 km d'altitude. Ce modèle appelé EAQM ("Eulerian Air Quality Model") a été utilisé pour simuler l'impact des émissions des routes et des avions au niveau des terminaux et des pistes et en altitude sur la concentration des oxydes d'azote (NOx), du monoxyde de carbone (CO), des hydrocarbures imbrûlés. Ce type de modèle est très adapté à l'étude de la qualité de l'air aéroportuaire local, les effets des émissions sur les régions environnantes et même au niveau régional. Par ailleurs, nous avons fait l'acquisition de la base de données de l'IGN (Institut Géographique National) pour générer l'aéroport et avons fait fonctionner le code Cedre afin de voir si les bâtiments engendrent des turbulences particulières." L'expérience acquise dans les modèles développés à l'échelle globale a permis à l'équipe de Richard Ramaroson d'affiner petit à petit ces modèles à l'échelle locale. "On utilise alors la météo existante et l'on y ajoute la physico-chimie des particules et leurs transformations en aérosols atmosphériques, la physico-chimie des polluants gazeux, l'impact du rayonnement solaire, l'impact du vent et de la turbulence, l'idée étant d'obtenir une carte des polluants qui prend en compte les différentes émissions".

Transport d'un polluant (scalaire passif) entre des bâtiments
représentatifs de l'aéroport d'Orly (simulation Cedre)

Deux campagnes de mesures sur l'aéroport Roissy Charles de Gaulle

En octobre 2004, les ingénieurs d'Airpur ont procédé, durant trois semaines, à une première campagne de mesures concernant les émissions. Il s'agissait d'une campagne préliminaire visant à dresser un état des lieux et à observer le comportement des instruments déployés à cette occasion. "Nous ne savions pas quel allait être le comportement de ces instruments dans ce milieu si particulier et si ceux-ci étaient capables de répondre aux objectifs fixés", souligne Richard Ramaroson.

De plus, l'équipe ne disposant que de quelques appareils pour cette campagne, elle s'est contentée de deux à trois jours de mesure pour chacun des objectifs fixés dans différents points de l'aéroport. Un des moments clés de cette campagne, tant sur le plan métrologique qu'émotionnel, a été le moment où l'équipe a procédé à des tests moteurs dans la zone technique d'Air France, le plus impressionnant étant le test en régime de croisière. Lors de la seconde campagne qui s'est déroulée du 13 juin au 22 juillet 2005, l'équipe disposait d'un plus grand nombre d'appareils de mesure. "Rien que pour la caractérisation des particules, nous avons utilisé sept appareils de mesures utilisant quatre technologies différentes. Une autre innovation porte sur la mesure en temps réels des émissions des composés organiques volatils individuels derrière les moteurs d'avions, en zone de test et retrouvées dans l'air local ambiant. Par ailleurs, nous avons multiplié et diversifié les lieux des mesures", précise le responsable du projet.

Ces travaux ont permis notamment de montrer comment les polluants gazeux et les particules sont transportés et dispersés et de quelle manière ils évoluent et se perdent une fois émises. Si l'exploitation des données obtenues va se poursuivre durant une partie de l'année 2006 et aboutir à la publication des résultats, le projet Airpur a déjà fourni des données très intéressantes. Ainsi il s'avère que les particules ultra-fines sont observées dans les zones réservées de l'aéroport, ceci étant dû à la proximité des sources d'émissions directes, comme celles des moteurs d'avions, mélangées avec les activités routières adjacentes très actives, en particulier près des zones d'embarquement. Les oxydes d'azote (NO_x= NO et NO₂), le monoxyde de carbone (CO) et les composés organiques volatils (COV) ont été aussi observés de la même manière. Depuis les zones d'émissions jusqu'à proximité de l'aéroport (zone environnante des riverains), les résultats de mesures effectuées montrent que les concentrations des polluants sont fortement diffusées et réduites. Ces polluants gazeux constituent par ailleurs des précurseurs d'ozone en été. Les mesures directes de la masse totale des particules par unité de volume d'air, dans l'atmosphère par des appareils appropriés, ont montré des valeurs restant en dessous de celles observées dans les bouchons d'autoroutes, dans les rues très fréquentées des villes et dans les tunnels.

Ces campagnes Airpur ont permis de collecter des données les plus riches en particules et en polluants gazeux jamais obtenus en milieu aéroportuaire au niveau européen.

Y aura-t-il une suite au projet Airpur? "Dans le cadre du 7ème programme cadre de la Commission européenne, nous envisageons de présenter un projet permettant de réaliser des campagnes de mesures plus importantes à l'échelle européenne. Ce serait une suite au PRF mais financée cette fois-ci par l'Europe", indique Richard Ramaroson.

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