Carbone noir - Black carbon

Le noir de carbone est présent dans le monde entier, mais sa présence et son impact sont particulièrement forts en Asie.
Le noir de carbone est dans l'air et circule dans le monde.
Le carbone noir se déplace le long des courants éoliens des villes asiatiques et s'accumule sur le plateau tibétain et les contreforts de l' Himalaya .

Chimiquement, le noir de carbone ( BC ) est un composant des particules fines (PM ≤ 2,5  µm de diamètre aérodynamique ). Le carbone noir est constitué de carbone pur sous plusieurs formes liées. Il est formé par la combustion incomplète de combustibles fossiles , de biocarburants et de biomasse , et est l'un des principaux types de particules dans la suie anthropique et naturelle . Le noir de carbone provoque une morbidité humaine et une mortalité prématurée. En raison de ces impacts sur la santé humaine, de nombreux pays se sont efforcés de réduire leurs émissions, ce qui en fait un polluant facile à réduire dans les sources anthropiques.

En climatologie , le noir de carbone est un agent de forçage climatique contribuant au réchauffement climatique . Le carbone noir réchauffe la Terre en absorbant la lumière du soleil et en chauffant l'atmosphère et en réduisant l' albédo lorsqu'il se dépose sur la neige et la glace (effets directs) et indirectement par interaction avec les nuages, avec un forçage total de 1,1 W/m 2 . Le carbone noir ne reste dans l'atmosphère que quelques jours à quelques semaines, tandis que d'autres gaz à effet de serre puissants ont des cycles de vie plus longs, par exemple, le dioxyde de carbone ( CO
2
) a une durée de vie atmosphérique de plus de 100 ans. Le GIEC et d'autres chercheurs sur le climat ont avancé que la réduction du carbone noir est l'un des moyens les plus simples de ralentir le réchauffement climatique à court terme.

Le terme carbone noir est également utilisé dans les sciences du sol et la géologie, se référant soit au carbone noir atmosphérique déposé, soit au carbone noir directement incorporé provenant des feux de végétation. Surtout sous les tropiques, le carbone noir dans les sols contribue de manière significative à la fertilité car il est capable d'absorber des nutriments importants pour les plantes.

Aperçu

Faraday a reconnu que la suie était composée de carbone et qu'elle était produite par la combustion incomplète de carburants contenant du carbone. Le terme noir de carbone a été inventé par Tihomir Novakov , surnommé « le parrain des études sur le carbone noir » par James Hansen , dans les années 1970. La fumée ou la suie a été le premier polluant à être reconnu comme ayant un impact environnemental significatif , mais l'un des derniers à être étudié par la communauté de recherche atmosphérique contemporaine.

La suie est composée d'un mélange complexe de composés organiques faiblement absorbants dans le domaine spectral visible et d'un composant noir hautement absorbant qui est diversement appelé "élémentaire", "graphitique" ou "noir de carbone". Le terme carbone élémentaire a été utilisé en conjonction avec des déterminations thermiques et chimiques humides et le terme carbone graphitique suggère la présence de structures microcristallines de type graphite dans la suie, comme en témoigne la spectroscopie Raman . Le terme noir de carbone est utilisé pour impliquer que ce composant de suie est principalement responsable de l'absorption de la lumière visible. Le terme noir de carbone est parfois utilisé comme synonyme à la fois de la composante élémentaire et graphitique de la suie. Elle peut être mesurée à l'aide de différents types d'appareils basés sur l'absorption ou la dispersion d'un faisceau lumineux ou dérivée de mesures de bruit.

Tentatives d'atténuation précoces

Les effets désastreux de la pollution par le charbon sur la santé humaine et la mortalité au début des années 1950 à Londres ont conduit à l' UK Clean Air Act 1956 . Cet acte a conduit à des réductions spectaculaires des concentrations de suie au Royaume-Uni, qui ont été suivies par des réductions similaires dans des villes américaines comme Pittsburgh et St. Louis. Ces réductions ont été en grande partie obtenues grâce à la diminution de l'utilisation du charbon doux pour le chauffage domestique en passant soit au charbon « sans fumée », soit à d'autres formes de combustible, comme le mazout et le gaz naturel. La réduction constante de la pollution par la fumée dans les villes industrielles d'Europe et des États-Unis a entraîné un changement d'orientation de la recherche loin des émissions de suie et la négligence presque complète du noir de carbone en tant que constituant important des aérosols, du moins aux États-Unis.

Dans les années 1970, cependant, une série d'études a considérablement modifié cette image et a démontré que le carbone noir ainsi que les composants organiques de la suie continuaient d'être un composant important dans les aérosols urbains aux États-Unis et en Europe, ce qui a conduit à un meilleur contrôle de ces émissions. Dans les régions moins développées du monde où les contrôles des émissions de suie étaient limités ou inexistants, la qualité de l'air continuait de se dégrader à mesure que la population augmentait. On ne s'est généralement rendu compte que de nombreuses années plus tard que du point de vue des effets mondiaux, les émissions de ces régions étaient extrêmement importantes.

Influence sur l'atmosphère terrestre

La plupart des évolutions évoquées ci-dessus concernent la qualité de l'air dans les atmosphères urbaines. Les premières indications du rôle du noir de carbone dans un contexte mondial plus large sont venues des études du phénomène Arctic Haze. Du noir de carbone a été identifié dans les aérosols de brume arctique et dans la neige arctique.

En général, les particules d'aérosol peuvent affecter le bilan radiatif entraînant un effet de refroidissement ou de chauffage, l'amplitude et le signe du changement de température dépendant largement des propriétés optiques de l'aérosol, des concentrations d'aérosol et de l'albédo de la surface sous-jacente. Un aérosol purement diffusant reflétera l'énergie qui serait normalement absorbée par le système terre-atmosphère vers l'espace et entraînera un effet de refroidissement. Comme on ajoute un composant absorbant à l'aérosol, cela peut conduire à un échauffement du système terre-atmosphère si la réflectivité de la surface sous-jacente est suffisamment élevée.

Les premières études des effets des aérosols sur le transfert radiatif atmosphérique à l'échelle mondiale supposaient un aérosol à diffusion dominante avec seulement une petite composante absorbante, car cela semble être une bonne représentation des aérosols naturels. Cependant, comme discuté ci-dessus, les aérosols urbains ont une grande composante de carbone noir et si ces particules peuvent être transportées à l'échelle mondiale, on s'attendrait à un effet de chauffage sur les surfaces à albédo de surface élevé comme la neige ou la glace. De plus, si ces particules se déposent dans la neige, un effet de chauffage supplémentaire se produirait en raison des réductions de l'albédo de surface.

Mesurer et modéliser la distribution spatiale

Les niveaux de noir de carbone sont le plus souvent déterminés en fonction de la modification des propriétés optiques d'un filtre à fibre par des particules déposées. La transmittance du filtre, la réflectance du filtre ou une combinaison de la transmittance et de la réflectance sont mesurées. Les aethalomètres sont des dispositifs fréquemment utilisés qui détectent optiquement l'absorption changeante de la lumière transmise à travers un ticket de filtre. Le programme de vérification des technologies environnementales de l'USEPA a évalué à la fois l'Aethalometer et l'analyseur thermo-optique du Sunset Laboratory. Un photomètre à absorption multiangle prend en compte à la fois la lumière transmise et la lumière réfléchie. Des méthodes alternatives reposent sur des mesures satellitaires de la profondeur optique pour de grandes zones ou plus récemment sur une analyse spectrale du bruit pour des concentrations très locales.

À la fin des années 1970 et au début des années 1980, des concentrations étonnamment élevées de carbone noir au niveau du sol ont été observées dans tout l'ouest de l'Arctique. Des études de modélisation ont indiqué qu'elles pourraient conduire à un échauffement sur la glace polaire. L'une des principales incertitudes dans la modélisation des effets de la brume arctique sur le bilan radiatif solaire était la connaissance limitée des distributions verticales du noir de carbone.

En 1983 et 1984, dans le cadre du programme NOAA AGASP, les premières mesures de telles distributions dans l'atmosphère arctique ont été obtenues avec un aéthalomètre capable de mesurer le noir de carbone en temps réel. Ces mesures ont montré des concentrations substantielles de noir de carbone trouvées dans toute la troposphère ouest de l'Arctique, y compris le pôle Nord. Les profils verticaux ont montré soit une structure fortement stratifiée, soit une distribution presque uniforme jusqu'à huit kilomètres avec des concentrations dans des couches aussi grandes que celles trouvées au niveau du sol dans les zones urbaines typiques des latitudes moyennes aux États-Unis. Les profondeurs optiques d' absorption associées à ces profils verticaux étaient importantes, comme en témoigne un profil vertical au-dessus de l'Arctique norvégien où des profondeurs optiques d'absorption de 0,023 à 0,052 ont été calculées respectivement pour les mélanges externes et internes de noir de carbone avec les autres composants de l'aérosol.

Des profondeurs optiques de ces magnitudes conduisent à un changement substantiel du bilan radiatif solaire sur la surface de neige arctique hautement réfléchissante pendant la période de mars à avril de ces mesures modélisées l'aérosol arctique pour une profondeur optique d'absorption de 0,021 (ce qui est proche de la moyenne d'un mélange interne et externe pour les vols AGASP), dans des conditions sans nuage. Ces effets de réchauffement étaient considérés à l'époque comme potentiellement l'une des principales causes des tendances au réchauffement de l'Arctique, comme décrit dans Archives of Dept. of Energy, Basic Energy Sciences Accomplishments.

Présence dans les sols

Jusqu'à 60% du carbone organique total stocké dans les sols est apporté par le carbone noir. Surtout pour les sols tropicaux, le carbone noir sert de réservoir de nutriments. Les expériences ont montré que les sols sans grandes quantités de carbone noir sont significativement moins fertiles que les sols qui contiennent du carbone noir. Un exemple de cette fertilité accrue des sols sont les sols Terra preta de l'Amazonie centrale, qui sont vraisemblablement créés par l'homme par les populations indigènes précolombiennes. Les sols Terra Preta ont en moyenne une teneur en matière organique du sol (MOS) trois fois plus élevée, des niveaux de nutriments plus élevés et une meilleure capacité de rétention des nutriments que les sols infertiles environnants. Dans ce contexte, la pratique agricole sur brûlis utilisée dans les régions tropicales n'améliore pas seulement la productivité en libérant des nutriments de la végétation brûlée mais aussi en ajoutant du noir de carbone au sol. Néanmoins, pour une gestion durable, une pratique de l' abattis serait préférable afin d'éviter des émissions élevées de CO 2 et de noir de carbone volatil. De plus, les effets positifs de ce type d'agriculture sont contrecarrés s'ils sont utilisés sur de grandes parcelles afin que l'érosion des sols ne soit pas empêchée par la végétation.

Présence dans les eaux

Le noir de carbone soluble et colloïdal retenu dans le paysage par les incendies de forêt peut se retrouver dans les eaux souterraines. À l'échelle mondiale, le flux de noir de carbone dans les plans d'eau douce et salée se rapproche du taux de production de noir de carbone des feux de forêt.

Sources d'émission

Par région

Les pays développés étaient autrefois la principale source d'émissions de carbone noir, mais cela a commencé à changer dans les années 1950 avec l'adoption de technologies de contrôle de la pollution dans ces pays. Alors que les États-Unis émettent environ 21 % du CO 2 mondial , ils émettent 6,1 % de la suie mondiale. L'Union européenne et les États-Unis pourraient réduire davantage leurs émissions de carbone noir en accélérant la mise en œuvre des réglementations sur le carbone noir qui entrent actuellement en vigueur en 2015 ou 2020 et en soutenant l'adoption des réglementations en attente de l'Organisation maritime internationale (OMI). Les réglementations existantes pourraient également être élargies pour accroître l'utilisation des technologies de diesel et de charbon propres et pour développer des technologies de deuxième génération.

Aujourd'hui, la majorité des émissions de noir de carbone proviennent des pays en développement et cette tendance devrait s'accentuer. Les principales sources de carbone noir sont l'Asie, l'Amérique latine et l'Afrique. La Chine et l'Inde représentent ensemble 25 à 35 % des émissions mondiales de carbone noir. Les émissions de carbone noir de la Chine ont doublé de 2000 à 2006. Les technologies existantes et bien testées utilisées par les pays développés, telles que le diesel et le charbon propres, pourraient être transférées aux pays en développement pour réduire leurs émissions.

Les émissions de carbone noir sont les plus élevées dans et autour des principales régions sources. Cela se traduit par des points chauds régionaux de chauffage solaire atmosphérique dû au noir de carbone. Les zones de points chauds comprennent :

  • les plaines indo-gangétiques de l'Inde
  • est de la Chine
  • la plupart de l'Asie du Sud-Est et de l'Indonésie
  • régions équatoriales d'Afrique
  • Mexique et Amérique centrale
  • la plupart du Brésil et du Pérou en Amérique du Sud.

Environ trois milliards de personnes vivent dans ces hotspots.

Par provenance

Noir de carbone sur une marmite. Résultat d'une cuisson au biocarburant.

Environ 20 % du carbone noir est émis par la combustion de biocarburants, 40 % par les combustibles fossiles et 40 % par la combustion de biomasse à ciel ouvert. Des estimations similaires des sources d'émissions de carbone noir sont les suivantes :

  • 42 % Brûlage de biomasse à ciel ouvert (brûlage de forêt et de savane)
  • 18 % de biomasse résidentielle brûlée avec des technologies traditionnelles
  • 14% Moteurs diesel pour le transport
  • 10% Moteurs diesel à usage industriel
  • 10 % Processus industriels et production d'électricité, généralement à partir de chaudières plus petites
  • 6% de charbon résidentiel brûlé avec des technologies traditionnelles

Les sources de carbone noir varient selon les régions. Par exemple, la majorité des émissions de suie en Asie du Sud sont dues à la cuisson à la biomasse, alors qu'en Asie de l'Est, la combustion du charbon à des fins résidentielles et industrielles joue un rôle plus important. En Europe occidentale, le trafic semble être la source la plus importante puisque les concentrations élevées coïncident avec la proximité des grands axes routiers ou la participation au trafic (motorisé).

Les combustibles fossiles et la suie de la biomasse contiennent des quantités de carbone noir nettement plus importantes que les aérosols et les matières particulaires refroidissant le climat, ce qui rend les réductions de ces sources particulièrement efficaces comme stratégies d'atténuation. Par exemple, les émissions des moteurs diesel et des navires contiennent des niveaux plus élevés de noir de carbone par rapport à d'autres sources. La réglementation des émissions de noir de carbone des moteurs diesel et des navires présente donc une opportunité significative de réduire l'impact du carbone noir sur le réchauffement climatique.

La combustion de la biomasse émet de plus grandes quantités d' aérosols et de matières particulaires refroidissant le climat que le noir de carbone, ce qui entraîne un refroidissement à court terme. Cependant, à long terme, la combustion de la biomasse peut provoquer un réchauffement net lorsque les émissions de CO 2 et la déforestation sont prises en compte. La réduction des émissions de biomasse réduirait donc le réchauffement climatique à long terme et offrirait des co-bénéfices de réduction de la pollution atmosphérique, des émissions de CO 2 et de la déforestation. Il a été estimé que par le passage à barre oblique et-char de barre oblique-et brûler l' agriculture, qui transforme la biomasse en cendres à l' aide des feux ouverts qui libèrent du carbone noir et les émissions de GES, 12% des émissions de carbone d' origine anthropique causées par le changement d'utilisation des terres pourrait être réduite annuellement, ce qui représente environ 0,66 Gt CO 2 -eq. par an, soit 2 % de toutes les émissions annuelles mondiales d' équivalent CO 2 .

Impacts

Le noir de carbone est une forme de matière particulaire ultrafine qui , lorsqu'elle est libérée dans l'air, provoque une mortalité et une invalidité humaines prématurées. De plus, le noir de carbone atmosphérique modifie le bilan énergétique radiatif du système climatique d'une manière qui augmente les températures de l'air et de la surface, provoquant une variété d'impacts environnementaux néfastes sur les humains, sur l'agriculture et sur les écosystèmes végétaux et animaux.

Impacts sur la santé publique

Les particules sont les plus nocives pour la santé publique de tous les polluants atmosphériques en Europe. Les particules de noir de carbone contiennent des substances cancérigènes très fines et sont donc particulièrement nocives.

On estime que de 640 000 à 4 900 000 décès humains prématurés pourraient être évités chaque année en utilisant les mesures d'atténuation disponibles pour réduire le noir de carbone dans l'atmosphère.

Les humains sont exposés au noir de carbone par inhalation d'air à proximité immédiate de sources locales. Les sources intérieures importantes comprennent les bougies et la combustion de biomasse, tandis que la circulation et parfois les incendies de forêt sont les principales sources extérieures d'exposition au noir de carbone. Les concentrations de noir de carbone diminuent fortement avec l'éloignement des sources (de trafic), ce qui en fait un composant atypique de la matière particulaire . Cela rend difficile l'estimation de l'exposition des populations. Pour les particules, les études épidémiologiques se sont traditionnellement appuyées sur des mesures sur un seul site fixe ou sur des concentrations résidentielles inférées. Des études récentes ont montré qu'autant de carbone noir est inhalé dans la circulation et à d'autres endroits qu'à l'adresse du domicile. Malgré le fait qu'une grande partie de l'exposition se produit sous forme de pics courts de concentrations élevées, il n'est pas clair comment définir les pics et déterminer leur fréquence et leur impact sur la santé. Des concentrations de pointe élevées sont rencontrées lors de la conduite automobile. Des concentrations élevées de noir de carbone dans les véhicules ont été associées à la conduite aux heures de pointe, sur les autoroutes et dans une circulation dense.

Même des concentrations d'exposition relativement faibles au noir de carbone ont un effet direct sur la fonction pulmonaire des adultes et un effet inflammatoire sur le système respiratoire des enfants. Une étude récente n'a révélé aucun effet du noir de carbone sur la tension artérielle lorsqu'il est associé à une activité physique . Les avantages pour la santé publique de la réduction de la quantité de suie et d'autres matières particulaires sont reconnus depuis des années. Cependant, de fortes concentrations persistent dans les zones industrialisées d'Asie et dans les zones urbaines occidentales comme Chicago . L' OMS estime que la pollution de l'air cause près de deux millions de décès prématurés par an. En réduisant le noir de carbone, un composant principal des particules fines, les risques pour la santé liés à la pollution de l'air diminueront. En fait, les préoccupations de santé publique ont donné lieu à de nombreux efforts pour réduire ces émissions, par exemple celles des véhicules diesel et des cuisinières.

Impacts climatiques

Effet direct Les particules de carbone noir absorbent directement la lumière du soleil et réduisent l'albédo planétaire lorsqu'elles sont en suspension dans l'atmosphère.

Effet semi-direct Le carbone noir absorbe le rayonnement solaire entrant, perturbe la structure de température de l'atmosphère et influence la couverture nuageuse. Ils peuvent augmenter ou diminuer la couverture nuageuse dans différentes conditions.

Effet d'albédo neige/glace Lorsqu'elles se déposent sur des surfaces à albédo élevé comme la glace et la neige, les particules de noir de carbone réduisent l'albédo de surface total disponible pour refléter l'énergie solaire dans l'espace. Une petite réduction initiale de l'albédo de la neige peut avoir un grand forçage en raison d'une rétroaction positive : une réduction de l'albédo de la neige augmenterait la température de surface. L'augmentation de la température de surface réduirait la couverture neigeuse et réduirait encore l'albédo de surface.

Effet indirect Le carbone noir peut également provoquer indirectement des changements dans l'absorption ou la réflexion du rayonnement solaire par des changements dans les propriétés et le comportement des nuages. Des recherches dont la publication est prévue en 2013 montrent que le carbone noir joue un rôle juste derrière le dioxyde de carbone dans le changement climatique. Les effets sont complexes, résultant d'une variété de facteurs, mais en raison de la courte durée de vie du noir de carbone dans l'atmosphère, environ une semaine par rapport au dioxyde de carbone qui a duré des siècles, le contrôle du noir de carbone offre des opportunités possibles pour ralentir, voire inverser, changement climatique.

Forçage radiatif

Les estimations du forçage radiatif direct moyenné à l'échelle mondiale du carbone noir varient de l' estimation du GIEC de + 0,34 watt par mètre carré (W/m 2 ) ± 0,25, à une estimation plus récente de V. Ramanathan et G. Carmichael de 0,9 W/m 2 .

Le GIEC a également estimé l'effet d'albédo de neige moyenné à l'échelle mondiale du carbone noir à +0,1 ± 0,1 W/m 2 .

Sur la base de l'estimation du GIEC, il serait raisonnable de conclure que les effets combinés directs et indirects de l'albédo de la neige pour le carbone noir le classent au troisième rang des contributeurs au forçage radiatif positif moyenné à l'échelle mondiale depuis la période préindustrielle. En comparaison, l'estimation plus récente du forçage radiatif direct par Ramanathan et Carmichael conduirait à conclure que le carbone noir a contribué au deuxième forçage radiatif moyen mondial après le dioxyde de carbone (CO 2 ), et que le forçage radiatif du carbone noir est « aussi jusqu'à 55 % du forçage du CO 2 et est plus important que le forçage dû aux autres gaz à effet de serre (GES) tels que le CH 4 , les CFC, le N 2 O ou l'ozone troposphérique.

Tableau 1 : Estimations du forçage radiatif du carbone noir, par effet

La source Effet direct Effet semi-direct Effet de nuages ​​sales Effet albédo neige/glace Le total
GIEC (2007) 0,34 ± 0,25 - - 0,1 ± 0,1 0,44 ± 0,35
Jacobson (2001, 2004 et 2006) 0,55 - 0,03 0,06 0,64
Hansen (2001, 2002, 2003, 2005 et 2007) 0,2 - 0,6 0,3 ± 0,3 0,1 ± 0,05 0,2 ± 0,1

0,8 ± 0,4 (2001)
1,0 ± 0,5 (2002)
»0,7 ± 0,2 (2003)
0,8 (2005)

Hansen & Nazarenko (2004) - - - ~ 0,3 dans le monde


1,0 arctique

-
Ramanathan (2007) 0,9 - - 0,1 à 0,3 1,0 à 1,2

Tableau 2 : Forçages climatiques estimés (W/m 2 )

Composant GIEC (2007) Hansen, et al. (2005)
CO 2 1,66 1,50
avant JC 0,05-0,55 0,8
CH 4 0,48 0,55
Ozone troposphérique 0,35 0,40
Halocarbures 0,34 0,30
N 2 O 0,16 0,15

Effets sur la glace arctique et les glaciers himalayens

Selon le GIEC , « la présence de noir de carbone sur des surfaces hautement réfléchissantes, telles que la neige et la glace, ou les nuages, peut provoquer un forçage radiatif positif important ». Le GIEC note également que les émissions provenant de la combustion de la biomasse , qui ont généralement un forçage négatif, ont un forçage positif sur les champs de neige dans des régions telles que l'Himalaya. Une étude de 2013 a quantifié que les torchères de gaz contribuaient à plus de 40 % du noir de carbone déposé dans l'Arctique.

Selon Charles Zender, le noir de carbone est un contributeur important à la fonte des glaces dans l'Arctique, et la réduction de ces émissions pourrait être « le moyen le plus efficace d'atténuer le réchauffement de l'Arctique à notre connaissance ». Le « forçage climatique dû au changement d'albédo neige/glace est de l'ordre de 1,0 W/m 2 dans les zones terrestres des latitudes moyennes et élevées dans l'hémisphère nord et au-dessus de l'océan Arctique ». L'"effet de suie sur l'albédo de la neige peut être responsable d'un quart du réchauffement climatique observé". « Le dépôt de suie augmente la fonte en surface des masses de glace, et l'eau de fonte stimule de multiples processus de rétroaction radiative et dynamique qui accélèrent la désintégration de la glace », selon les scientifiques de la NASA James Hansen et Larissa Nazarenko. À la suite de ce processus de rétroaction, « la CB sur la neige réchauffe la planète environ trois fois plus qu'un forçage égal de CO 2 . » Lorsque les concentrations de carbone noir dans l'Arctique augmentent pendant l'hiver et le printemps en raison de la brume arctique , les températures de surface augmentent de 0,5 °C. Les émissions de carbone noir contribuent également de manière significative à la fonte des glaces de l'Arctique, ce qui est essentiel car « rien dans le climat n'est plus justement décrit comme un « point de basculement » que la limite de 0 °C qui sépare l'eau gelée de l'eau liquide - la neige et la glace brillantes et réfléchissantes. de l'océan sombre et absorbant la chaleur.

Les émissions de carbone noir du nord de l'Eurasie, de l'Amérique du Nord et de l'Asie ont le plus grand impact absolu sur le réchauffement de l'Arctique. Cependant, les émissions de carbone noir qui se produisent réellement dans l'Arctique ont un impact disproportionnellement plus important par particule sur le réchauffement de l'Arctique que les émissions provenant d'ailleurs. À mesure que la glace arctique fond et que les activités de transport maritime augmentent, les émissions provenant de l'Arctique devraient augmenter.

Dans certaines régions, comme l'Himalaya, l'impact du noir de carbone sur la fonte des neiges et des glaciers peut être égal à celui du CO 2 . L'air plus chaud résultant de la présence de noir de carbone en Asie du Sud et de l'Est au-dessus de l'Himalaya contribue à un réchauffement d'environ 0,6 °C. Une "analyse des tendances de température du côté tibétain de l'Himalaya révèle un réchauffement supérieur à 1 °C". Un échantillonnage estival d'aérosols sur une selle glaciaire du mont Everest (Qomolangma) en 2003 a montré que du sulfate induit industriellement en provenance d'Asie du Sud pourrait traverser l'Himalaya très élevé. Cela indiquait que la Colombie-Britannique en Asie du Sud pourrait également avoir le même mode de transport. Et ce type de signal aurait pu être détecté sur un site de surveillance du noir de carbone dans l'arrière-pays du Tibet. L'échantillonnage et la mesure de la neige suggèrent que le carbone noir déposé dans certains glaciers himalayens peut réduire l'albédo de surface de 0,01 à 0,02. L'enregistrement du carbone noir basé sur une carotte de glace peu profonde forée à partir du glacier East Rongbuk a montré une tendance à la hausse spectaculaire des concentrations de carbone noir dans la stratigraphie de la glace depuis les années 1990, et le forçage radiatif moyen simulé causé par le carbone noir était de près de 2 W/m 2 en 2002 Cette grande tendance au réchauffement est le facteur causal proposé pour le recul accéléré des glaciers himalayens, qui menace les approvisionnements en eau douce et la sécurité alimentaire en Chine et en Inde. Une tendance générale à l'obscurcissement des glaciers du centre de l'Himalaya révélée par les données MODIS depuis 2000 pourrait être partiellement attribuée au carbone noir et aux impuretés absorbant la lumière comme la poussière au printemps, qui a ensuite été étendue à l'ensemble de la recherche sur les glaciers de l'Hindu Kush-Kararoram-Himalaya trouvant un tendance à l'assombrissement généralisé de -0,001 an -1 sur la période 2000-2011. La diminution la plus rapide de l'albédo (plus négative que -0,0015 an −1 ) s'est produite à des altitudes supérieures à 5500 m au-dessus du niveau de la mer.

Le réchauffement climatique

Dans son rapport de 2007, le GIEC a estimé pour la première fois le forçage radiatif direct du carbone noir provenant des émissions de combustibles fossiles à + 0,2 W/m 2 , et le forçage radiatif du carbone noir par son effet sur l'albédo de surface de la neige et de la glace à + 0,1 W/m 2 supplémentaire . Des études plus récentes et des témoignages publics de bon nombre des mêmes scientifiques cités dans le rapport du GIEC estiment que les émissions de carbone noir sont le deuxième contributeur au réchauffement climatique après les émissions de dioxyde de carbone, et que la réduction de ces émissions peut être la stratégie la plus rapide pour ralentir le climat. monnaie.

Depuis 1950, de nombreux pays ont considérablement réduit les émissions de carbone noir, en particulier provenant de sources de combustibles fossiles, principalement pour améliorer la santé publique grâce à une meilleure qualité de l'air, et « une technologie existe pour une réduction drastique de la CB liée aux combustibles fossiles » dans le monde entier.

Compte tenu de la durée de vie relativement courte du noir de carbone, la réduction des émissions de noir de carbone réduirait le réchauffement en quelques semaines. Étant donné que le carbone noir ne reste dans l'atmosphère que quelques semaines, la réduction des émissions de carbone noir pourrait être le moyen le plus rapide de ralentir le changement climatique à court terme. Le contrôle du carbone noir, en particulier à partir de sources de combustibles fossiles et de biocarburants, est très probablement la méthode la plus rapide pour ralentir le réchauffement climatique dans un avenir immédiat, et des réductions importantes des émissions de carbone noir pourraient ralentir les effets du changement climatique pendant une décennie ou deux. . La réduction des émissions de noir de carbone pourrait aider à empêcher le système climatique de franchir les points de basculement des changements climatiques brusques , notamment l' élévation significative du niveau de la mer due à la fonte des calottes glaciaires du Groenland et/ou de l'Antarctique.

« Les émissions de noir de carbone sont la deuxième contribution la plus importante au réchauffement climatique actuel, après les émissions de dioxyde de carbone ». Calcul du forçage climatique combiné du carbone noir à 1,0-1,2 W/m 2 , qui « représente jusqu'à 55 % du forçage du CO 2 et est supérieur au forçage dû aux autres [GES] tels que CH 4 , CFC, N 2 O ou ozone troposphérique. D'autres scientifiques estiment l'amplitude totale du forçage du carbone noir entre + 0,2 et 1,1 W/m 2 avec des plages variables en raison des incertitudes. (Voir le tableau 1.) Cela se compare aux estimations de forçage climatique du GIEC de 1,66 W/m 2 pour le CO 2 et de 0,48 W/m 2 pour le CH 4 . (Voir le tableau 2.) De plus, le forçage au carbone noir est deux à trois fois plus efficace pour augmenter les températures dans l'hémisphère nord et l'Arctique que les valeurs de forçage équivalentes du CO 2 .

Jacobson calcule que la réduction des particules de suie provenant des combustibles fossiles et des biocarburants éliminerait environ 40 % du réchauffement global net observé. (Voir la figure 1.) En plus du noir de carbone, la suie des combustibles fossiles et des biocarburants contient des aérosols et des particules qui refroidissent la planète en réfléchissant le rayonnement solaire loin de la Terre. Lorsque les aérosols et les particules sont pris en compte, la suie des combustibles fossiles et des biocarburants augmente les températures d'environ 0,35 °C.

On estime que le carbone noir à lui seul a un potentiel de réchauffement planétaire (PRP) sur 20 ans de 4 470 et un PRP sur 100 ans de 1 055 à 2 240. La suie des combustibles fossiles, résultant du mélange avec des aérosols de refroidissement et des particules, a un PRP sur 20 ans inférieur de 2 530 et un PRP sur 100 ans de 840 à 1 280.

L'évaluation intégrée du noir de carbone et de l'ozone troposphérique publiée en 2011 par le Programme des Nations Unies pour l'environnement et l'Organisation météorologique mondiale calcule que la réduction du carbone noir, ainsi que l'ozone troposphérique et son précurseur, le méthane, peuvent réduire le taux de réchauffement climatique de moitié et le taux du réchauffement de l'Arctique de deux tiers, en combinaison avec des réductions de CO 2 . En réduisant le « pic de réchauffement », de telles réductions peuvent maintenir l'augmentation actuelle de la température mondiale en dessous de 1,5 C pendant 30 ans et en dessous de 2 C pendant 60 ans, en combinaison avec des réductions de CO 2 . (FN : PNUE-OMM 2011.) Voir le tableau 1, à la page 9 du rapport PNUE-OMM .

La réduction du CO 2 ainsi que des SLCF pourrait maintenir l'augmentation de la température mondiale en dessous de 1,5 °C jusqu'en 2030, et en dessous de 2 °C jusqu'en 2070, en supposant que le CO 2 soit également réduit. Voir le graphique à la page 12 du rapport PNUE-OMM .

Technologies de contrôle

Ramanathan note que « les pays développés ont réduit leurs émissions de carbone noir provenant de sources de combustibles fossiles d'un facteur de 5 ou plus depuis 1950. Ainsi, la technologie existe pour une réduction drastique du carbone noir lié aux combustibles fossiles.

Jacobson estime que « [s]ans conditions et incitations appropriées, les technologies polluantes [de suie] peuvent être rapidement supprimées. Dans certaines applications à petite échelle (telles que la cuisine domestique dans les pays en développement), la santé et la commodité entraîneront une telle transition lorsque des alternatives abordables et fiables seront disponibles. Pour d'autres sources, telles que les véhicules ou les chaudières à charbon, des approches réglementaires peuvent être nécessaires pour encourager soit la transition vers la technologie existante, soit le développement de nouvelles technologies.

Hansen déclare que « la technologie est à portée de main qui pourrait réduire considérablement la suie, restaurer l'albédo de la neige à des valeurs quasi vierges, tout en ayant de nombreux autres avantages pour le climat, la santé humaine, la productivité agricole et l'esthétique environnementale. Déjà, les émissions de suie du charbon diminuent dans de nombreuses régions avec la transition de petits utilisateurs vers des centrales électriques avec épurateurs. »

Jacobson suggère de convertir « les véhicules [américains] des combustibles fossiles en véhicules électriques, hybrides rechargeables ou à pile à combustible à hydrogène, où l'électricité ou l'hydrogène est produit par une source d'énergie renouvelable, telle que le vent, le solaire, la géothermie, l'hydroélectricité, les vagues , ou l'énergie marémotrice. Une telle conversion éliminerait 160 Gg/an (24 %) de suie provenant de combustibles fossiles américains (ou 1,5 % du monde) et environ 26 % du dioxyde de carbone américain (ou 5,5 % du monde). Selon les estimations de Jacobson, cette proposition réduirait les émissions de suie et de CO 2 de 1,63 GtCO 2 –eq . par an. Il note cependant « que l'élimination des hydrocarbures et des oxydes d'azote éliminerait également certaines particules de refroidissement, réduisant le bénéfice net d'au plus de moitié, mais améliorant la santé humaine », une réduction substantielle pour une politique dans un pays.

Pour les véhicules diesel en particulier, plusieurs technologies efficaces sont disponibles. Des filtres à particules diesel (DPF) plus récents et plus efficaces , ou pièges, peuvent éliminer plus de 90 % des émissions de carbone noir, mais ces dispositifs nécessitent du carburant diesel à très faible teneur en soufre (ULSD). Pour assurer la conformité aux nouvelles règles sur les particules pour les nouveaux véhicules routiers et non routiers aux États-Unis, l'EPA a d'abord exigé un passage à l'échelle nationale à l'ULSD, qui a permis l'utilisation de DPF dans les véhicules diesel afin de répondre aux normes. En raison des récentes réglementations de l'EPA, les émissions de carbone noir des véhicules diesel devraient diminuer d'environ 70 % de 2001 à 2020. » Dans l'ensemble, « les émissions de BC aux États-Unis devraient diminuer de 42 % de 2001 à 2020. Au moment où l'ensemble de la flotte sera soumise à ces règles, l'EPA estime que plus de 239 000 tonnes de particules seront réduites chaque année. En dehors des États-Unis, des catalyseurs d'oxydation diesel sont souvent disponibles et les DPF deviendront disponibles à mesure que l'ULSD sera plus largement commercialisé.

Une autre technologie pour réduire les émissions de carbone noir des moteurs diesel consiste à remplacer les carburants par du gaz naturel comprimé. À New Delhi , en Inde, la Cour suprême a ordonné le passage au gaz naturel comprimé pour tous les véhicules de transport public, y compris les bus, les taxis et les pousse-pousse, a entraîné un avantage climatique, «en grande partie en raison de la réduction spectaculaire des émissions de carbone noir du bus diesel. moteurs. Dans l'ensemble, le changement de carburant pour les véhicules a suffisamment réduit les émissions de carbone noir pour produire une réduction nette de 10 pour cent de l'équivalent CO 2 , et peut-être jusqu'à 30 pour cent. Les principaux gains proviennent des moteurs de bus diesel dont le CO 2 -eq. les émissions ont été réduites de 20 pour cent. Selon une étude examinant ces réductions d'émissions, "il existe un potentiel important de réduction des émissions grâce au développement propre [CCNUCC] pour de tels projets de changement de carburant".

Des technologies sont également en cours de développement pour réduire une partie des 133 000 tonnes métriques de particules émises chaque année par les navires. Les navires océaniques utilisent des moteurs diesel et des filtres à particules similaires à ceux utilisés pour les véhicules terrestres sont actuellement testés sur eux. Comme pour les filtres à particules actuels, ceux-ci obligeraient également les navires à utiliser l'ULSD, mais si des réductions d'émissions comparables sont réalisables, jusqu'à 120 000 tonnes métriques d'émissions de particules pourraient être éliminées chaque année du transport maritime international. Autrement dit, s'il était possible de montrer que les filtres à particules réduisent les émissions de noir de carbone de 90 % des navires comme ils le font pour les véhicules terrestres, 120 000 tonnes métriques des 133 000 tonnes métriques d'émissions actuelles seraient évitées. D'autres efforts peuvent réduire la quantité d'émissions de carbone noir des navires simplement en diminuant la quantité de carburant que les navires utilisent. En voyageant à des vitesses plus lentes ou en utilisant l'électricité à terre au port au lieu de faire fonctionner les moteurs diesel du navire pour l'énergie électrique, les navires peuvent économiser du carburant et réduire les émissions.

Reynolds et Kandlikar estiment que le passage au gaz naturel comprimé pour les transports publics à New Delhi ordonné par la Cour suprême a réduit les émissions climatiques de 10 à 30 %.

Ramanathan estime que « fournir des cuisinières alternatives économes en énergie et sans fumée et introduire une technologie de transfert pour réduire les émissions de suie provenant de la combustion du charbon dans les petites industries pourraient avoir des impacts majeurs sur le forçage radiatif dû à la suie ». Concrètement, l'impact du remplacement de la cuisson aux biocarburants par des cuiseurs sans carbone noir (solaire, bio et gaz naturel) en Asie du Sud et de l'Est est dramatique : sur l'Asie du Sud, une réduction de 70 à 80 % du chauffage au carbone noir ; et en Asie de l'Est, une réduction de 20 à 40 %.

Biodégradation

Les structures cycliques aromatiques condensées indiquent une dégradation du carbone noir dans le sol. Les champignons saprophytes sont recherchés pour leur rôle potentiel dans la dégradation du noir de carbone.

Options de politique

De nombreux pays ont des lois nationales existantes pour réglementer les émissions de carbone noir, y compris des lois qui traitent des émissions de particules. Voici quelques exemples :

  • interdire ou réglementer le défrichage sur brûlis des forêts et des savanes ;
  • exiger l'alimentation électrique/l'électrification des navires au port, réglementer la marche au ralenti dans les terminaux et imposer des normes de carburant pour les navires cherchant à accoster au port ;
  • exiger des tests réguliers d'émissions des véhicules, la mise hors service ou la modernisation (par exemple, l'ajout de pièges à particules), y compris des pénalités pour non-respect des normes d'émissions de qualité de l'air et des pénalités accrues pour les véhicules routiers « super-émetteurs » ;
  • interdire ou réglementer la vente de certains carburants et/ou exiger l'utilisation de carburants plus propres pour certains usages ;
  • limiter l'utilisation de cheminées et d'autres formes de combustion de biomasse dans les zones urbaines et non urbaines ;
  • exiger des permis pour exploiter des installations industrielles, de production d'électricité et de raffinage du pétrole et le renouvellement périodique des permis et/ou la modification des équipements ; et
  • exigeant une technologie de filtrage et une combustion à haute température (par exemple du charbon supercritique ) pour les centrales électriques existantes, et réglementant les émissions annuelles des centrales électriques.

Le Réseau international pour la conformité et l'application de l'environnement a publié une alerte de conformité climatique sur le noir de carbone en 2008 qui a cité la réduction du noir de carbone comme un moyen rentable de réduire une cause majeure du réchauffement climatique.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • Pierre, RS ; Sharma, S.; Herber, A.; Eleftheriadis, K.; Nelson, DW (10 juin 2014). « Une caractérisation des aérosols arctiques sur la base de la profondeur optique des aérosols et des mesures de carbone noir ». Elementa : Science de l'Anthropocène . 2 : 000027. doi : 10.12952/journal.elementa.000027 .

Liens externes