De la fumée dans l air: comment les feux d artifice affectent la qualité de l air

Que ce soit au Nouvel An, à la nuit de Guy Fawkes ou Diwali, la plupart d'entre nous avons assisté à un feu d'artifice - et nous rappelons les explosions et les douches de lumière colorée. Mais qu'en est-il de la fumée sulfureuse? Les scientifiques atmosphériques ont démontré que les feux d'artifice laissent leur marque sur la qualité de l'air pendant un certain temps après que les détonations et les éclats colorés se soient écoulés.

Après la Guy Fawkes Night annuelle au Royaume-Uni, des niveaux très élevés de particules (fumée ou suie) produites par la combustion des artifices de divertissement, ainsi que des niveaux élevés d'ions métalliques tels que le magnésium qui proviennent des feux d'artifice eux-mêmes, ont été trouvés. Les feux d'artifice ont également été associés à des niveaux élevés d'autres molécules telles que le dioxide d'azote (NO₂) et dioxide de soufre (SO₂). Ces observations ont été faites pendant et après un festival de Diwali dans Hisar City, Inde, en Novembre 1999 ; à Mayence, en Allemagne, lors des célébrations du Nouvel An en 2004/2005; au cours de la Fête des Lanternes à Pékin, en Chine, en 2006 ; et à Milan, Italie, la nuit après que l'Italie a remporté la Coupe du monde de football en 2006 (Drewnick et al., 2006; Ravindra et al. 2003; Vecchi et al., 2008; Wang et al., 2007).

Étude : qualité de l'air à l'école

Avec vos élèves, vous pouvez aussi analyser l'effet des feux d'artifice sur la qualité de l'air. Nous avons travaillé avec des élèves du secondaire au Royaume-Uni pour étudier l'impact de la Guy Fawkes Night sur la qualité de l'air (voir les remerciements). Le projet a été une introduction à l'utilisation des bases de données de qualité de l'air - qui contiennent des mesures d'un large éventail de polluants, un trésor de données pour une utilisation dans les écoles - mais aussi une chance pour mener à bien certaines recherches réelles à l'école.

La qualité de l'air peut être liée à de nombreuses matières scolaires. La chimie et la physique des feux d'artifice impliquent un certain nombre de sujets intéressants, tels que la combustion, le son, la lumière et les polluants qu'ils peuvent libérer. Elle peut également constituer la base d'une discussion plus approfondie sur la nature de la pollution de l'air, ce qui la provoque, et les effets tels que les pluies acides et le changement climatique. Ces derniers sont sujets abordés dans les leçons de biologie, de santé et de géographie. L'analyse des données a un potentiel énorme pour animer les cours de mathématiques et d'informatique.

Les informations sur les principaux polluants causés par des feux d'artifice, ainsi que les détails de la chimie des feux d'artifice, peuvent être téléchargées à partir du site web Science in School^w1. De plus amples détails sur les causes plus générales de la pollution atmosphérique peuvent être téléchargés à partir du site web UK-AIR^w2.

Bases de données

Vous aurez besoin d'utiliser une base de données disponible au public sur la qualité de l'air qui fournit au moins des mesures quotidiennes de l'endroit où vous êtes intéressé à l'étude. Les archives de la qualité de l'air au Royaume-Uni^w2 contiennent les données horaires pour une gamme d'espèces chimiques, les polluants primaires (émis directement), y compris NO, NO₂, CO et le SO₂, les hydrocarbures et les matières particulaires, et des polluants secondaires (formés à partir de polluants primaires), comme l'ozone. Les données sont recueillies à partir de 186 sites à travers le Royaume-Uni allant de moniteurs situés au bord de la route à ceux dans les régions éloignées pour mesurer les niveaux de fond. Certains sites sont opérationnels depuis le milieu des années 1970, offrant un incroyable record de données. Les auteurs sont désireux de travailler avec des groupes d'étudiants qui souhaitent interpréter les aspects de la qualité de l'air au Royaume-Uni.

Pour Malte, il y a la base de données des autorités et de l'Environnement de Malte et de la planification^w3 qui contient des données sur le CO, NO, NO₂ et O₃.

Si vous souhaitez analyser les données provenant d'un autre pays européen, vous trouverez AirBase^w4, la base de données de la qualité de l'air maintenu par l'Agence européenne pour l'environnement, une ressource utile, car elle contient des mesures pour la plupart des pays européens. Notez, cependant, que les fichiers sont volumineux et peuvent donc prendre un certain temps à télécharger, et sont aussi moins simples à comprendre que l’ensemble des données du Royaume-Uni et de Malte.

Nos résultats

Nous avons analysé les niveaux des matières particulaires (PM) sur tous les sites où ils sont mesurés au Royaume-Uni autour de Guy Fawkes Night en 2009. PM est constitué de particules solides ou liquides en suspension dans un gaz. Elles sont classées selon la taille en PM₁₀ (diamètre 10 µm ou moins), PM_2.5 (2.5 µm ou moins), PM₁ (1 µm ou moins) et ultrafines (0.1 µm ou moins). La combustion des feux d'artifices produit une gamme de tailles de particules, mais principalement des particules plus petites (par exemple PM_2.5) de suie, tandis que des feux de camps (ou de joies) peuvent former des particules plus grosses. PM est également produit par l'industrie de la construction, et il existe des sources naturelles comme le pollen, le sel de mer et le sol transporté par le vent. Des niveaux accrus de particules dans l'air sont liés à des maladies cardio-vasculaires et respiratoires; les plus petites particules sont particulièrement malsaines, car elles peuvent pénétrer plus profondément dans le système respiratoire. PM a également un effet significatif sur le climat: les particules de suie réchauffent le climat, alors que les éléments reflétants ont tendance à refroidir.

A titre d'exemple (Figure 1), nous montrons PM_2.5 et PM₁₀ au niveau du centre de Reading, une ville universitaire dans le sud du Royaume-Uni. Bien que Guy Fawkes Night soit en fait le 5 Novembre, elle est souvent célébrée le week-end le plus proche. Ces données du 5-9 Novembre 2009 montrent que les niveaux de particules ont atteint un sommet dans la soirée du 7 Novembre (un samedi). En comparant ces données à la moyenne de l'ensemble de l'année 2009, nous avons constaté que les niveaux de ce samedi ont été élevés par un facteur pouvant aller jusqu'à sept (voir Figure 1).

Parce que toutes les particules PM_2.5 mesurées avec un diamètre de 2,5 microns ou moins et les niveaux de PM₁₀ et PM_2.5 sont pratiquement les mêmes, la plupart des particules produites étaient de petite taille - et particulièrement mauvaise pour le système respiratoire. Il est très difficile de fixer des niveaux de sécurité pour l'exposition aux particules, mais à l'heure actuelle la limite pour les PM₁₀ en Europe est une concentration annuelle de 40 μg/m³, et une concentration journalière de 50 μg/m³, qui ne doit pas être dépassée plus de 35 fois par année civile (donc appelé le seuil de dépassement). La moyenne de la nuit du 7 Novembre a été de 34,7 μg/m³, ce qui est inférieur au seuil de dépassement, mais beaucoup plus élevé que la moyenne de 2009 annuelle. Sur d'autres sites au Royaume-Uni, nous avons trouvé le seuil de dépassement de PM₁₀ dépassé ce jour-là.

Enquêtes

Ces bases de données offrent une richesse de questions possibles à prendre en considération à l'école, avec des exemples en aucune manière limitée à feu d'artifice dérivé de la pollution. Par exemple:

• Produire un graphe des niveaux de plusieurs polluants différents avant, pendant et après un événement feu d'artifice (par exemple le Nouvel An). Quels sont les polluants générant le premier pic? Qui prennent plus de temps à former un pic? Les niveaux de tous les polluants mesurés sont ils touchés? Pourquoi / pourquoi pas?

• En utilisant les données provenant de différents sites surveillés dans la base de données, de comparer les niveaux de polluants spécifiques (monoxyde de carbone, par exemple) entre les villes et les campagnes. Quelles explications pouvez-vous trouver pour ce que vous observez?
• Quelles sont les différences dans les niveaux d'ozone à partir de différents endroits et à différents moments de la journée?
• En Europe, le vent dominant est de l'ouest. Pouvez-vous détecter toute tendance de la qualité de l'air d'est en ouest?

Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier l'aide des enseignants et des étudiants suivants qui ont participé à leur qualité de l'air au Royaume-Uni étude: Dr Oznur Kemal (enseignant), Sophie Danby, Marta Tondera, Kelly Lam Ho, Candice Chan Ting Yan, Boni Chau Bo, Jenny Chow Kar Yee, Christine Fong Chi, Sophie Hawkins, Charlotte Hooper, Annabelle Fricker, Siobhan Stewart et Emma Tremewan, à partir Leweston école Dorset; Naomi Shallcross, Beth Shallcross et Esther Shallcross de Gordano School, Portishead, John Jones (enseignant), Beth Bois Jones et Cat de Cheltenham College, Cheltenham.