Introduction

La pollution de l'air est un problème majeur de la santé publique et de l'environnement aussi bien dans les pays développés que dans les pays en voie de développement. L'émission des gaz toxiques et des particules dans l'atmosphère peut causer des effets néfastes sur la santé humaine et l'environnement.

Plusieurs paramètres physico-chimiques caractérisent la qualité de l'air. Citons entre autres les particules en suspension de dimension inférieure à 10 µm (PM₁₀), le plomb (Pb), l'anhydride sulfureux (SO₂), le dioxyde d'azote (NO₂), le monoxyde de carbone (CO), l'ozone O₃ et les composés organiques volatils (COV).

Dans ce travail, nous étudierons la pollution atmosphérique par les matières particulaires et par les métaux lourds, notamment par le plomb, à Antananarivo, Madagascar, en utilisant la technique d'analyse de la fluorescence X à réflexion totale.

Madagascar est une île située au sud-est du continent africain. Elle est entourée par le canal de Mozambique et l'océan Indien. Antananarivo, la capitale, est située à 18°54'5"S et 47°31'6"E et le nombre de ses habitants est d'environ 1,5 million (Figure 1).

Figure 1. Localisation de Madagascar.
Madagascar localization.

Méthodologie

Notation

Les notations suivantes sont adoptées pour distinguer les particules en suspension selon leur diamètre aérodynamique.

• PM_2,5 : particules dont le diamètre est inférieur à 2,5 µm.

• PM_2,5-10 : particules dont le diamètre est compris entre 2,5 µm et 10 µm.

• PM₁₀ : particules dont le diamètre est inférieur à 10 µm.

Méthode analytique

La fluorescence X classique (à énergie dispersive ou à longueur d'onde dispersive) est utilisée pour les analyses qualitative et quantitative des éléments. On peut affiner les précisions pour la détermination des éléments traces à quelques parties par million (ppm) et même à quelques dizaines de parties par billion (ppb) en utilisant la technique de la fluorescence X à énergie dispersive et à réflexion totale (TXRF) (Figure 2) [1, 5-7].

Figure 2. Diagramme schématique de la spectrométrie de fluorescence X à réflexion totale (TXRF).
Schematic diagram of the Total reflection X-Ray Fluorescence (TXRF) spectrometry chain.

où c_j est la concentration de l'élément j, N_j l'aire nette de l'élément j ; (N_b) représente le bruit de fond.

Choix des sites de prélèvement

Les critères utilisés pour le choix des lieux de prélèvement sont les suivants : endroits à grande densité de circulation automobile, lieux les plus fréquentés par la population, quartiers résidentiels et zones industrielles. Les sites étudiés sont :

• S1 : tunnel d'Ambohidahy ;

• S2 : tunnel d'Ambanidia ;

• S3 : Andravoahangy;

• S4 : Soarano;

• S5 : Mahamasina;

• S6 : Ankorondrano.

Prélèvement d'aérosols

La collecte des échantillons d'aérosols a été faite à l'aide de l'échantillonneur DICHOTOMOUS fourni par l'AIEA. Il est placé à 1,60 m au-dessus du sol, à la hauteur moyenne d'un homme adulte. La durée de prélèvement est de six heures par jour et les prélèvements se sont déroulés du mois de juin 1998 au mois de novembre 1998. L'échantillonneur a collecté les PM₁₀. En outre, il est capable de séparer les particules fines ou les particules respirables PM_2,5 et les grosses particules ou les particules inhalables PM_2,5-10 Les filtres Nucléopore polycarbonate de diamètre 47 mm, de porosité 8 µm et 0,4 µm ont été utilisés respectivement pour prélever les grosses particules et les fines particules. La discrimination est obtenue par une unité appelée « séparateur » de l'échantillonneur. Les débits d'air traversant les filtres de 8 µm et de 0.4 µm sont respectivement de 20 l.h^-1 et de 380 l.h^-1 pour optimiser la séparation [8]. Deux types d'échantillons sont ainsi obtenus pour chaque prélèvement.

Les filtres sont pesés à l'aide d'une balance de précision, marque METTLER TOLEDO, avec une sensibilité de 10 µg pour déterminer les masses totales déposées.

Préparation des échantillons

Les échantillons à analyser par la technique de la fluorescence X à réflexion totale doivent être solubilisés à haute pression dans une bombe d'attaque avec 600 µl de CHCl₃, 3 ml de HNO₃ (63 %) et 1 ml de H₂O₂ (30 %) (suprapure) à une température de 165 °C pendant quatre heures [9] ; 200 µl de cette solution préparée sont dilués dans 800 µl d'eau bi-distillée ; 5 µg de cobalt (1 000 ppm) sont utilisés comme standard interne. Ensuite, 10 µl de cette solution préparée sont déposés sur le réflecteur porte-échantillon (Quartz Synsil), puis séchés dans le dessiccateur et enfin analysés.

Caractérisation des zones

La classification des sites d'intérêt est l'objectif principal du zonage. La méthode de zonage est basée sur la comparaison de la concentration trouvée de chaque polluant et de la concentration de référence recommandée par les organisations internationales ou nationales (OMS, US EPA...). Nous rappelons les critères d'appellation adoptés par le Gouvernement canadien :

• zone saturée : 100 % de la référence internationale ;

• zone latente : 80 à 100 % de la référence internationale ;

• zone à surveiller : 40 à 79 % de la référence internationale ;

• zone propre : 20 à 39 % de la référence internationale ;

• zone non polluée : < 20 % de la référence internationale.

Origine de la pollution

Le calcul du facteur d'enrichissement (FE) de chaque élément trouvé dans les échantillons d'aérosols permet de déterminer si l'origine de la pollution est naturelle ou anthropique. Nous utilisons la méthode de Masan [4] en prenant le titane « Tï » comme élément de référence [10]. Le facteur d'enrichissement FE de l'élément x est défini par la relation

Nous rappelons que selon les valeurs des FE, nous pouvons conclure que si

Résultats et discussion

Les résultats sont donnés dans les tableaux 1 à 4.

Tableau 1. Concentrations moyennes des éléments dans l'air de la ville d'Antananarivo.
Average concentration of elements in air in Antananarivo City.

Source: Madagascar-INSTN.

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Tableau 2. Facteur d'enrichissement (FE) pour les éléments dans les aérosols de la ville d'Antananarivo.
Enrichment factor of elements in aerosol of Antananarivo City.

Source:Madagascar·INSTN.

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Tableau 3. Concentrations journalières (minimales, moyennes, maximales, totales) du plomb selon la taille des particules dans l'air des différents sites de la ville d'Antananarivo,en ng.m^-3.
Daily concentrations (minimum, mean, maximum, total) of lead according to particles size in air of different sites of Antananarivo City, expressed in ng.m^-3.

Source : Madagascar·INSTN.

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Tableau 4. Distribution des masses des PM_2,5, PM_2.5-10 et PM₁₀ dans les différents sites de prélèvement.
Mass distribution of PM_2.5, PM_2.5-10 and PM₁₀ in different sampling sites.

Source :Madagascar-INSTN.

Les éléments majeurs, mineurs et traces

Les tableaux 1 et 2 (p. 278), donnent les éléments contenus dans les aérosols et les facteurs d'enrichissement des éléments dans les aérosols. Les éléments comme le soufre (S), le potassium (K), le calcium (Ca) et le fer (Fe) constituent les éléments majeurs dans les aérosols. Le titane (Ti), le cuivre (Cu), le zinc (Zn) et le plomb (Pb) sont les éléments mineurs, tandis que le chrome (Cr), le brome (Br), le rubidium (Rb) et le strontium (Sr) sont des éléments traces.

S, Cr, Cu, Br, Zn et Pb ne proviennent pas seulement de la croûte terrestre ou du sol ;d'autres sources dues aux activités humaines (combustion des huiles de moteurs, incinération des ordures ménagères, industries ...) apportent aussi leur contribution. Les autres éléments comme K. Ca, Ti, Mn, Fe et Sr proviennent des sources naturelles, principalement du sol.

Cas du plomb

La concentration du plomb obtenue en 1996, environ 4 000 ng.m^-3, est supérieure à 500 ng.m^-3, la valeur guide fixée par l'Organisation mondiale de la santé (OMS), dans certains sites de la ville d'Antananarivo, en particulier S1 et S2.

Nous avons observé en 1998 que la valeur guide fixée par l'OMS pour le plomb n'est pas respectée pour les 6 sites étudiés (Figure 3). Les concentrations sont de deux à quatre fois cette valeur (500 ng.m‑3). De plus, la distribution granulométrique du plomb (Figure 4) dans l'air de la ville d'Antananarivo a montré que plus de 75 % du plomb se fixent sur les PM_2,5. Le plomb provient principalement des gaz d'échappement des voitures car l'essence plombée est la seule utilisée sur le territoire de la République de Madagascar. Les voitures importées très vétustes des pays développés et des autres îles voisines polluent énormément. Les résultats des analyses des essences vendues dans quelques stations de la ville d'Antananarivo effectuées dans notre laboratoire en 1996 confirment la présence du plomb : l'essence ordinaire et l'essence super en renferment (118 ± 10) ppm et (174 ± 11) ppm respectivement [11].

Les sites sont tous classés « zones saturées »· La ville d'Antananarivo est une « zone saturée » pour le paramètre plomb (Tableau 3).

Figure 5. Distribution granulométrique des PM₁₀ dans les différents sites.
Size distribution of PM₁₀ in different sites.

Figure 6. Variation de la concentration moyenne des PM_2.5 et PM_2,5-10
Variation of mean concentration of PM_2.5 and PM_2.5-10

Cas des PM₁₀

Les concentrations de PM₁₀ (Tableau 4, p. 279) dans les tunnels d'Ambohidahy S1 et d'Ambanidia S2, Mahamasina SS et Soarano S4 dépassent les valeurs maximales fixées par l'OMS (150 µg.m^-3). La distribution granulométrique (Figure 5) des aérosols dans la ville d'Antananarivo montre que pour le site S5, 60 % de PM sont constitués de PM_2,5. Pour les sites S1, S2, S3, S4 et S6 les PM_2,5 représentent plus de 80 % des particules dans l'air.

Les concentrations moyennes de PM₁₀ (Figure 6) dans les sites S1, S2, S4 et SS sont supérieures à la valeur maximale adoptée par l'OMS. Ces sites sont classés « zones saturées » pour ce polluant. Pour les sites S3 et S6, les concentrations trouvées se situent entre 80 à 100 % de la norme fixée par l'OMS, ils sont classés « zones latentes "· Globalement, la ville d'Antananarivo est classée « zone saturée » pour les PM₁₀.

L'origine de la pollution

Les séries de mesures que nous avons effectuées lors de circonstances particulières nous ont permis de montrer que la majeure partie de la pollution de l'air provient des gaz d'échappement des voitures.

En effet, de janvier 2002 jusqu'en juin 2002, une grève générale a paralysé la vie économique du pays. Il y a eu une pénurie presque totale de carburant (essence, gasoil, pétrole) entrainant une immobilisation de presque toutes les voitures dans la capitale. Or, au mois d'avril 1999, nous avions procédé à une première campagne de prélèvements sur la terrasse d'un hôtel situé sur le bord du boulevard Ratsimandrava à Andrefan'Ambohijanahary ; le capteur étant placé à 3,5 m au-dessus de la surface roulante.

Nous avons donc saisi cette opportunité de la grève générale pour effectuer une seconde campagne de prélèvements, les 13 et 14 avril 2002 sur le même site. Le tableau 5 donne les concentrations moyennes mesurées des éléments contenus dans les aérosols à Andrefan'Ambohijanahary en 1999 et les 13 et 14 avril 2002. Les résultats obtenus montrent une diminution considérable de la pollution atmosphérique engendrée par les paramètres d'origine anthropique, entre autres le soufre, le chrome, le cuivre, le zinc, le brome et le plomb. Nous constatons une diminution notable du chrome (facteur 16), du brome (facteur 9), du zinc (facteur 19) et du plomb (facteur 23). Le chrome, le zinc et le brome proviendraient des gaz d'échappement des voitures. Cette situation s'explique par la vétusté des moteurs qui brûlent non seulement de l'essence mais aussi les lubrifiants .

En ce qui concerne en particulier le plomb et les particules en suspension, les concentrations mesurées des échantillons prélevés à Andrefan'Ambohijanahary en 1999 et 2002 montrent une nette décroissance du niveau de la pollution atmosphérique (Tableaux 6 et 7, p. 282). Elle est divisée par un facteur variant de 10 à 23 pour le plomb et de 5 à 7 pour les particules en suspension. La population a d'ailleurs remarqué la pureté de l'air.

Effets de la pollution sur la santé de la population d'Antananarivo

Des auteurs ont déjà étudié les effets des particules en suspension sur la santé humaine et les conséquences sur le plan économique :

• altération du fonctionnement des voies respiratoires ;

• augmentation journalière de fréquence des symptômes des maladies respiratoires ;

• augmentation des admissions pour affections respiratoires (asthme ...) dans les hôpitaux ;

• augmentation du nombre d'hospitalisat ion pour maladies respiratoires et accidents cardiovasculaires ;

• augmentation des affections cardiaques et du taux de mortalité due à une exposition trop fréquente aux particules en suspension ;

• augmentation du taux d'absentéisme dans les différents secteurs d'activité et les écoles.

À Paris, une étude épidémiologique réalisée par

 !'Observatoire régional de la santé d'Ile-de-France sur la mortalité cardiovasculaire prématurée liée à la pollution évalue entre 260 à 350 le nombre de décès annuels. Certains scientifiques estiment que la pollution atmosphérique tue environ 60 000 personnes par an aux États-Unis et environ 10 000 au Royaume-Uni [12]. Or dans les grandes métropoles, cette pollution est due en grande partie aux gaz d'échappement des voitures.

Tableau 5. Concentrations moyennes, exprimées en ng.m·3,des éléments dans l'air d'Andrefan'Ambohijanahary en 1999 et les 13 et 14 avril 2002.
Average concentration of elements in air or Andrefan'Ambohijanahary in 1999 and 13-14 April 2002, expressed in ng.m-3.

* Limite de détection.

Source :Madagascar-INSTN.

Tableau 6. Concentrations moyennes, exprimées en ng.m^-3, du plomb dans l'air à Andrefan'Ambohijanahary en 1999 et les 13 et 14 avril 2002.
Average concentration of lead in air in Andrefan'Ambohijanahary in 1999 and 13-14 April 2002,expressed in ng.m^-3.

Source : Madagascar-INSTN .

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Tableau 7. Distribution des masses des particules en suspension dans l'air d'Andrefan'Ambohijanahary en 1999 et les 13 et 14 avril2002, exprimées en µg.m^-3.
Mass distribution of suspended particulates in air of Andrefan'Ambohijanahary in 1999 and 13-14 April 2002, expressed in ng.m^-3.

Source :Madagascar-JNSTN .

Les particules respirables (PM_2,5) sont encore plus dangereuses que les particules inhalables

(PM_2,5•10) car elles peuvent non seulement altérer les fonctions pulmonaires mais aussi pénétrer les alvéoles et avoir des effets délétères généraux.

Plusieurs études ont montré que le risque de mortalité est deux fois plus grand pour l'exposition aux PM_2.5 qu'aux PM_2.5-10.

Madagascar , à cause de la récession économique, importe de plus en plus des voitures usagées (automobiles, bus, cars) interdites de circulation en Europe à cause de leur vétusté. Le taux de croissance annuel des véhicules importés est passé de 7 % à 12 % en 1999. Il entraîne des embouteillages paralysant pendant des heures la circulation. De 8 à 12 heures, et de 14 à 18 heures, en période de travail (du lundi au vendredi), il faut deux heures pour faire 2 km. En effet, depuis l'indépendance en 1960, aucune politique de gestion du trafic automobile n'a été envisagée. La vétusté du parc automobile (80 % des voitures ont plus de 8 ans d'âge) n'a fait qu'empirer la pollution par les gaz d'échappement.

On a noté une augmentation du nombre des malades atteints d'infections respiratoires aiguës (IRA). Les premiers atteints sont malheureusement les enfants. D'après une enquête de l'Institut national des statistiques (INSTAT) de Madagascar concernant les principales maladies à l'origine de la morbidité des enfants, 28,5 % sont des IRA ; 187 073 enfants ont été atteints d'IRA pendant l'année 2000. Dans la commune urbaine d'Antananarivo , 4 000 à 10 000 enfants par mois souffrant d'IRA ont été traités en 1999 dans les hôpitaux d'Antananarivo [13].

Cette situation alarmante rend urgentes et impérieuses la lutte contre la pollution atmosphérique et la sensibilisation des autorités publiques.

Suite aux actions de sensibilisation que nous avons menées depuis 1996, entre autres lors des Séminaires interdisciplinaires Raoelina Andriambololona (SIRA), en collaboration avec la Société pétrolière Galana et la Direction Générale de la Sécurité routière à Antananarivo , le Conseil du Gouvernement du 18 décembre 2002 a décidé et autorisé l'importation de l'essence sans plomb.

Nous voudrions remercier l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA, Vienne, Autriche) pour le support financier reçu dans le cadre du contrat programme de recherche en 1998 et 1999 (CPR 98 et 99), et en particulier M. B. Smodis et Mme Teresa Benson A. de l'AIEA , et E. O. Rasoazanany , M. Mamizara et R. Razafy Andrianarivo, membres du Département Fluorescence X et Environnement de Madagascar-INSTN pour leur aide.