Monitoring Air Pollution Dynamics of NO2 and SO2 in Sri Lanka Using Sentinel-5P from 2019 to 2024

La pollution de l'air est une force silencieuse et invisible qui façonne la santé des villes et la stabilité des écosystèmes, pourtant, dans de nombreuses parties du monde, nous manquons d'outils pour la voir clairement. Pendant des décennies, les scientifiques se sont appuyés sur des stations au sol pour mesurer l'air que nous respirons, mais ces moniteurs physiques sont coûteux à construire et à entretenir, laissant de vastes régions du globe sans données. Ces dernières années, une nouvelle perspective est apparue depuis l'espace. Des satellites équipés d'instruments sensibles peuvent désormais regarder à travers l'atmosphère pour détecter des gaz spécifiques, tels que le dioxyde d'azote et le dioxyde de soufre, qui sont rejetés par les voitures, les usines et les centrales électriques. Ces gaz ne sont pas seulement des nuisances locales ; ce sont des précurseurs de la pluie acide et de particules fines qui nuisent aux poumons humains. Comprendre où ces polluants s'accumulent et comment ils se déplacent est essentiel pour protéger la santé publique, mais le faire dans des pays possédant peu de moniteurs au sol a été un défi important.

Une équipe de chercheurs du Sri Lanka a transformé ce défi en opportunité en utilisant une fenêtre de six ans de données satellitaires pour cartographier la qualité de l'air à travers toute leur nation insulaire. Entre 2019 et 2024, ils ont utilisé les observations du satellite Sentinel-5P, un engin spatial en orbite autour de la Terre qui transporte un instrument capable de mesurer les gaz atmosphériques chaque jour. En combinant ces images satellites avec des systèmes d'information géographique, un type de logiciel qui organise les données par localisation, l'équipe a créé une image détaillée, mois par mois, des niveaux de dioxyde d'azote et de dioxyde de soufre à travers les vingt-cinq districts administratifs du Sri Lanka. Leur travail révèle une histoire de la manière dont l'activité humaine et les modèles météorologiques interagissent pour façonner l'air que nous respirons, offrant un modèle à faible coût pour surveiller la pollution dans les régions où les stations au sol sont rares.

L'étude a révélé un modèle clair et persistant pour le dioxyde d'azote, un gaz principalement produit par les gaz d'échappement des véhicules et la combustion industrielle. Les concentrations les plus élevées ont été trouvées le long du corridor côtier ouest, une bande de terre densément peuplée qui comprend la capitale Colombo et ses districts voisins de Gampaha et Kalutara. Ici, les données satellites ont montré des niveaux atteignant systématiquement entre 3 et 5 parties par milliard, une mesure du nombre de molécules du gaz existant dans un volume donné d'air. Ce corridor est le cœur de l'urbanisation et du trafic du Sri Lanka, et les données confirment que la densité des voitures et de l'industrie est le principal moteur de la pollution. En revanche, les parties nord et est de l'île, moins développées et possédant moins de véhicules, ont montré des niveaux beaucoup plus bas, tombant souvent proche de zéro.

Les chercheurs ont également suivi comment les saisons modifient l'air. Le Sri Lanka connaît deux saisons de mousson majeures, des périodes de fortes pluies qui balaient l'île. Les données ont montré que ces pluies agissent comme un nettoyant naturel. Pendant la mousson du sud-ouest, qui s'étend de mai à septembre, les niveaux de dioxyde d'azote dans les régions ouest et sud ont chuté de manière significative, tombant souvent dans les catégories les plus basses. La pluie nettoie les polluants de l'atmosphère et le vent aide à les disperser. Inversement, pendant les mois secs de janvier à avril, les polluants ont tendance à stagner, surtout dans les centres urbains où ils sont piégés par des vitesses de vent plus faibles.

Un moment particulièrement frappant dans les données s'est produit en 2020, lors de la pandémie mondiale. Lorsque le gouvernement a imposé des restrictions de mouvement strictes pour stopper la propagation du virus, les images satellites ont capturé une chute dramatique et immédiate du dioxyde d'azote. En avril et mai de cette année-là, les zones de haute pollution autour de Colombo et de Kalutara, qui affichaient habituellement les niveaux les plus élevés, sont tombées dans la catégorie la plus basse, descendant sous la barre de 1 partie par milliard. Ce déclin brutal a fourni la preuve indéniable que la pollution provenait de l'activité humaine plutôt que de sources naturelles. Cependant, l'effet fut temporaire ; à mesure que les restrictions s'assouplissaient et que la vie reprenait son cours normal d'ici septembre, les niveaux de pollution augmentaient à nouveau, reflétant le retour du trafic et du travail industriel.

Le dioxyde de soufre racontait une histoire différente. Tandis que le dioxyde d'azote se répandait le long des routes et des villes, le dioxyde de soufre, qui est largement produit par la combustion de combustibles fossiles comme le charbon et le pétrole, se regroupait étroitement autour de sites industriels spécifiques. Les chercheurs ont trouvé des points chauds distincts près des centrales thermiques dans le district de Puttalam et des zones industrielles de Kalutara. Contrairement à la brume urbaine généralisée du dioxyde d'azote, le dioxyde de soufre apparaissait sous forme de panaches concentrés liés directement à ces sources ponctuelles. Les niveaux de ce gaz étaient généralement inférieurs à ceux du dioxyde d'azote, se situant principalement entre 0 et 2 parties par milliard, et bien qu'ils fluctuaient légèrement avec les saisons, ils restaient liés aux opérations des centrales électriques et des usines plutôt qu'au rythme quotidien du trafic urbain.

L'étude a également comparé deux types différents de produits de données satellites pour voir lequel était le mieux adapté à différentes tâches. Un produit, appelé "Near Real-Time" (Temps Réel Proche), est traité rapidement et est utile pour repérer les changements soudains, comme la chute brutale de la pollution pendant le confinement de la pandémie. L'autre, appelé "Offline" (Hors Ligne), subit un traitement plus approfondi et fournit une image plus fluide et plus fiable pour étudier les tendances à long terme sur plusieurs années. Les chercheurs ont constaté que si les données rapides étaient bonnes pour les événements immédiats, les données traitées étaient supérieures pour comprendre les changements lents et constants de la qualité de l'air sur la période de six ans.

En examinant les tendances à long terme de 2019 à 2024, les chercheurs ont noté que bien que la pandémie ait provoqué une baisse passagère, les niveaux de dioxyde d'azote dans les zones urbaines ont remonté lentement, suggérant que les émissions de véhicules et l'expansion urbaine continuent de l'emporter sur toute réduction d'émissions. Les niveaux de dioxyde de soufre sont restés relativement stables mais ont montré des signes d'augmentation dans les districts industriels, suggérant soit une hausse de la production industrielle, soit une capacité réduite de l'atmosphère à assainir l'air. L'étude a également souligné que dans les hautes terres centrales, où le terrain est montagneux, les polluants sont parfois piégés dans les vallées pendant les saisons sèches, créant des poches localisées de pollution plus élevée qui sont distinctes des modèles côtiers.

Cette recherche démontre que les données satellites gratuites peuvent servir d'outil puissant et rentable pour les nations dépourvues de réseaux étendus de surveillance au sol. En cartographiant la qualité de l'air à travers toute l'île, l'étude fournit une base de référence que les décideurs politiques peuvent utiliser pour prendre des décisions éclairées. Les conclusions suggèrent que pour améliorer la qualité de l'air, le Sri Lanka doit se concentrer sur la réduction des émissions de véhicules dans le corridor ouest et sur la gestion de la production industrielle dans les districts de production d'énergie. Les cartes générées par cette étude offrent un guide visuel clair pour savoir où placer de nouveaux stations de surveillance, où appliquer des réglementations plus strictes et comment planifier un avenir où l'air reste sûr à respirer. Finalement, ce travail prouve que même sans un réseau dense de capteurs au sol, nous pouvons désormais voir les nuages invisibles de pollution et comprendre les forces qui les déplacent.