Aller au cœur de la matière (particulaire)

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Les scientifiques savent depuis longtemps que l’air que nous respirons peut être dangereux pour notre santé. L’Organisation mondiale de la santé estime que plus de 57 pour cent de la population mondiale respire de l’air contenant des niveaux nocifs de polluants. Les particules en suspension dans l’air (PM) sont particulièrement dangereuses. La respiration de ces minuscules particules solides et / ou liquides flottantes de matière organique et inorganique, également appelées aérosols, entraîne chaque année plus de 4 millions de décès prématurés dus à des maladies cardiovasculaires, respiratoires et autres, selon une importante étude internationale sur la santé appelée le fardeau mondial de la maladie.

Une nouvelle mission satellite de la NASA actuellement en développement promet de porter la recherche sur les liens entre la pollution atmosphérique par les particules et la santé humaine à de nouveaux sommets. L’enquête MAIA (Multi-Angle Imager for Aerosols), dont le lancement est prévu en 2022, produira des cartes uniques de PM pollution atmosphérique que les épidémiologistes utiliseront pour étudier comment différents types de particules – des mélanges de particules de différentes tailles, formes et compositions – affectent notre santé. L’enquête de trois ans marque le tout premier partenariat entre la NASA, les épidémiologistes et les organisations de santé pour utiliser des données spatiales pour étudier la santé humaine et améliorer des vies.

Ambient particulate matter air pollution kills more than four million people worldwide every year.
La pollution atmosphérique par les particules ambiantes tue plus de quatre millions de personnes dans le monde chaque année. Crédit: NASA / JPL-Caltech / CC BY-NC-ND 4.0

«Nous savons que l’exposition aux particules en suspension dans l’air provenant de la combustion de combustibles fossiles, du trafic, de la fumée et de la poussière est associée à diverses maladies et même à la mortalité», a déclaré David Diner, chercheur principal de MAIA, du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA. en Californie du Sud. JPL construit l’instrument MAIA et gère l’enquête. “Il est probable que des infections causées par des bactéries, des champignons ou un virus tel que COVID – 19 peuvent être exacerbés par des problèmes de santé liés à la pollution de l’air que les gens ont déjà, ce qui les rend plus vulnérables aux maladies graves et aux conséquences néfastes sur la santé. »

Particulate matter air pollution has numerous sources, both natural and human-produced.
La pollution atmosphérique par les particules a de nombreuses sources, tant naturelles que anthropiques. Crédit: NASA / JPL-Caltech

Power generation is a major source of particulate matter pollution.
La production d’électricité est une source majeure de pollution par les particules. Crédit: CC 0 Domaine public

Thick smoke streaming from a line of intense wildfires in California and Oregon blankets much of the U.S. West Coast in this natural-color image captured September 9, 2020.
Une épaisse fumée s’échappant d’une ligne de feux de forêt intenses en Californie et en Oregon recouvre une grande partie de la côte ouest des États-Unis dans cette image aux couleurs naturelles capturée le 9 septembre 2020, par le spectroradiomètre imageur à résolution modérée (MODIS) sur le satellite Terra de la NASA. De nombreuses communautés de la région sont confrontées à une qualité de l’air extrêmement pauvre et parfois dangereuse. Les particules contenues dans la fumée des feux de forêt sont liées à de nombreux effets néfastes sur la santé. Crédit: NASA Earth Observatory

A sandstorm envelopes Casa Grande, Arizona, July 5, 2011.
Une tempête de sable enveloppe Casa Grande, Arizona, le 5 juillet 2006. La poussière minérale qui peut couvrir le ciel dans les zones désertiques est constituée de minuscules morceaux de terre soufflés par le vent. Crédit: Roxy Lopez / CC BY-SA 3.0

La pollution atmosphérique par les particules: un danger pas si clair mais présent

En ce qui concerne les particules et la santé, la taille compte: des particules de tailles différentes sont associées à différents effets sur la santé. Les classifications de taille communément réglementées sont PM 10 (particules inhalables d’un diamètre de 10 micromètres et moins) et PM 2,5 (respirable particules de diamètre 2,5 micromètres et moins). Les particules plus grosses peuvent irriter nos voies respiratoires, tandis que les particules plus petites peuvent pénétrer plus profondément dans nos poumons et provoquer une inflammation qui affecte d’autres organes. Les scientifiques ont associé PM 2.5 avec un risque accru de maladie coronarienne, de crise cardiaque et d’accident vasculaire cérébral. D’autres études montrent que les personnes qui respirent plus de PM sont plus susceptibles de développer un cancer du poumon, des infections des voies respiratoires inférieures, une maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC) et des problèmes pendant la grossesse et l’accouchement, comme la prématurité et l’insuffisance pondérale à la naissance.

Particulate matter air pollution is associated with numerous adverse health effects.
La pollution atmosphérique par les particules est associée à de nombreux effets néfastes sur la santé. Crédit: NASA / JPL-Caltech

Les constituants des particules sont moins connus que les autres. «Les particules sont complexes», a déclaré Diner. «Les particules de poussière sont de forme irrégulière, tandis que les gouttelettes sont sphériques. Les particules ont des composants chimiques différents et proviennent de diverses sources, dont beaucoup sont d’origine humaine, comme les émissions des véhicules et la combustion agricole. Les montants varient également considérablement selon le lieu et la saison. »

Particulate matter air pollution is complex, consisting of various sizes and types, and resulting in differing health effects.
La pollution atmosphérique par les particules est complexe, se compose de différentes tailles et types, et entraîne des effets différents sur la santé. Crédit: NASA / JPL-Caltech

Traditionnellement, les scientifiques ont utilisé des instruments de surveillance au sol pour mesurer avec précision l’exposition à la pollution atmosphérique. Un type utilise des filtres pour capturer les particules en suspension dans l’air qui sont pesées et analysées dans un laboratoire pour calculer la quantité de diverses particules. D’autres instruments utilisent la diffusion de la lumière ou l’absorption d’électrons pour générer des estimations en temps réel de la concentration massique des particules. Étant donné que le PM change d’un endroit à l’autre, un éventail dense de moniteurs serait nécessaire pour échantillonner de manière adéquate une ville entière.

MAIA: avoir une vue d’ensemble de la pollution atmosphérique

Entre MAIA. À partir de l’espace, MAIA acquerra des données qui seront utilisées pour générer des cartes de pollution atmosphérique par les particules dans un ensemble de zones cibles réparties à l’échelle mondiale. Les épidémiologistes – des professionnels de la santé publique qui étudient les causes, la distribution et la fréquence des maladies dans les populations humaines – utiliseront les cartes pour mener des études sur la santé afin de déterminer quels types et sources de particules sont les plus nocifs.

MAIA is the primary instrument aboard the Orbital Test Bed (OTB)-2 commercial host satellite.
MAIA est le principal instrument à bord du satellite hôte commercial Orbital Test Bed (OTB) -2. Crédit: General Atomics Electromagnetic Systems

Diner dit que les scientifiques prennent de plus en plus conscience de la valeur que les données satellitaires apportent à l’étude de la pollution atmosphérique.

«Le moyen évident de surveiller les aérosols près du sol est d’installer des capteurs, de collecter les particules et de mesurer leurs propriétés», a-t-il déclaré. «Cela peut rapidement devenir décourageant en raison des coûts et des complexités logistiques, en particulier dans les pays en développement. En revanche, un satellite peut photographier des zones du monde entier et combler les lacunes de couverture, mais les données d’aérosols par satellite ne fournissent que des inférences indirectes sur la composition des particules. »

Pour déterminer les concentrations et la composition chimique de ces minuscules particules, les données satellitaires MAIA seront combinées avec des données provenant d’instruments au sol et de modèles informatiques sur la manière dont les produits chimiques sont formés et transportés dans l’atmosphère. «Cette complémentarité donne à l’enquête sa force», a ajouté Diner.

“Un aspect unique de MAIA est l’intégration des expériences et des attentes de la communauté de la santé publique qui utilisera les données dans l’ADN de la mission dès le départ”, a déclaré Yang Liu, professeur à l’école Rollins. de la santé publique à l’Université Emory à Atlanta et membre de l’équipe scientifique MAIA. “La combinaison des données de l’instrument satellite et de divers réseaux de capteurs au sol avec la chimie atmosphérique et des modèles statistiques, et la génération de données simulées avant le lancement pour engager la communauté des utilisateurs, permettra une transition en douceur des données aux applications et maximisera les avantages sociétaux de MAIA.

Études de santé MAIA

Parmi les méthodologies utilisées par les épidémiologistes MAIA pour étudier les effets de la pollution par les particules mesurées par l’instrument MAIA sur la santé humaine figurent des séries chronologiques et des études de cohorte. Dans les études de séries chronologiques, les enregistrements quotidiens de décès et d’hospitalisation dans une ville ou une zone urbaine particulière sont utilisés et leurs relations avec les concentrations de pollution atmosphérique à court terme (sur un ou plusieurs jours) sont étudiées. Les études de cohorte examinent les effets d’une exposition à long terme (un an ou plus) à la pollution atmosphérique sur la santé, et la santé d’un grand groupe de personnes est suivie pendant plusieurs années. Lors de la conception de ces études, les épidémiologistes doivent tenir compte des variables étrangères qui pourraient également amener les gens à contracter les maladies étudiées et potentiellement biaiser les résultats de leurs études. Après avoir pris en compte ces «facteurs de confusion» (dont les antécédents familiaux et le tabagisme, par exemple), les scientifiques peuvent calculer l’impact de la pollution atmosphérique sur le risque de maladie d’une personne.

Les chercheurs de MAIA mèneront différentes études épidémiologiques dans ses principaux domaines cibles, en fonction du type de dossiers de santé disponibles, des études qui ont été réalisées dans le passé et des types de particules présentes. Trois échelles de temps d’exposition seront étudiées: aiguë (pics de PM à court terme sur une période de quelques jours à quelques semaines), subchronique (durée modérée, mettant l’accent sur l’exposition aux PM par les femmes enceintes) et chronique (impacts sur la santé résultant de effets cumulés des expositions aux particules sur de nombreuses années).

«De plus en plus de maladies sont associées à l’exposition aux particules», a déclaré Diner. «Par exemple, les scientifiques trouvent des liens entre l’exposition aux particules et les troubles neurologiques, tels que les troubles cognitifs. Il existe un large éventail de résultats pour la santé que les gens sont intéressés à étudier, et beaucoup dépendront des sources de données sur la santé que notre équipe acquiert. »

Un héritage de mesures d’aérosols spatiaux et aéroportés

Le patrimoine de MAIA comprend de nombreuses missions et instruments spatiaux, dont le spectro-radiomètre à imagerie multi-angle (MISR) sur le satellite Terra de la NASA, pour lequel Diner est également le chercheur principal. Lancée en 1999, le MISR voit la Terre sous neuf angles différents, donnant aux scientifiques une meilleure image de Le climat de la Terre, y compris les aérosols, les formes nuageuses et la couverture terrestre.

MISR data contributed to this global satellite-derived map of PM2.5 averaged over 2001-2006.
Les données MISR ont contribué à cette carte mondiale dérivée par satellite des PM2,5 moyennées sur 2001 – 2006. Crédit: A. van Donkelaar et al. (2001). Environ. Point de vue de la santé. 118, 847 – 855.

«Le MISR a démontré de nouvelles méthodes d’utilisation de l’imagerie satellitaire multi-angles pour caractériser les particules en suspension dans l’air», a déclaré Diner. Ces travaux ont conduit à des collaborations avec des scientifiques utilisant les données du MISR pour étudier les liens entre les particules et la santé humaine. «Après le lancement du MISR, nous avons obtenu un financement du Earth Science Technology Office de la NASA pour développer des technologies qui élargissent notre capacité à caractériser les aérosols.» L’instrument Airborne Multiangle SpectroPolarimetric Imager (AirMSPI) et l’AirMSPI-2 de deuxième génération sont le résultat de ces efforts et ont prototypé plusieurs technologies clés utilisées dans MAIA.

MAIA: une enquête ciblée sur les grandes villes

Bien que l’orbite de MAIA l’emporte sur une grande partie du monde, des considérations pratiques limitent la collecte de données à plusieurs dizaines de zones cibles, chacune mesurant environ 147, 000 kilomètres carrés (près de 57, 000 miles carrés), soit à peu près la région du sud de la Californie. À partir de cet ensemble, les épidémiologistes de MAIA concentreront leurs études sur la santé sur une douzaine de zones cibles principales contenant des villes très peuplées: Los Angeles, Atlanta et Boston aux États-Unis; Barcelone, Espagne; Rome, Italie; Tel Aviv, Israël; Johannesburg, Afrique du Sud; Addis-Abeba, Éthiopie; Delhi, Inde; Pékin, Chine; Taipei, Taiwan; et Séoul, Corée du Sud. Les zones cibles principales ont été sélectionnées en fonction de divers critères, notamment la population, la variabilité des quantités et des types de particules présentes, la nébulosité, le degré de surveillance de la zone par des instruments au sol et l’accès aux dossiers de santé publique.

Les mesures de particules seront également enregistrées dans plus de 15 zones cibles secondaires, y compris Mexico, Mexique; Santiago, Chili; Accra, Ghana; Nairobi, Kenya; et Bangkok, Thaïlande.

MAIA health studies will focus on a dozen primary target areas in major urban centers around the world.
Les études de santé MAIA se concentreront sur une douzaine de zones cibles principales dans les grands centres urbains du monde entier. En outre, l’instrument collectera des mesures scientifiques dans plus de 15 les zones cibles secondaires ainsi que les mesures d’étalonnage / validation pour maintenir l’exactitude des produits de données tout au long de la mission. Les détails de la cible des emplacements sont sujets à mise à jour. Crédit: NASA / JPL-Caltech

Les mesures MAIA seront particulièrement utiles dans les très grandes zones métropolitaines et les villes de pays qui n’ont pas eu les ressources pour mesurer la pollution particulaire, a déclaré Bart Ostro, membre de l’équipe scientifique MAIA, épidémiologiste environnemental à l’Université de Californie, Davis, et ancien chef de l’épidémiologie de la pollution atmosphérique à la California Environmental Protection Agency. «Fournir des données pour aider à identifier des sources de particules spécifiques peut aider les décideurs à prioriser les stratégies de contrôle et à réduire les coûts», dit-il.

La science derrière les mesures de MAIA

The MAIA instrument
L’instrument MAIA. Le cardan permet à la caméra de se déplacer à la fois dans le sens de la trajectoire et dans le sens transversal. Les modulateurs photoélastiques (PEM) sont utilisés dans le cadre du système de mesure de polarisation intégré à la caméra. Crédit: NASA / JPL-Caltech

Pour distinguer les types de particules d’aérosol, l’appareil photo numérique spécialisé de MAIA capturera la lumière du soleil se reflétant sur la Terre et son atmosphère. Les miroirs en aluminium enduit et poli de MAIA permettent à la caméra d’enregistrer la lumière en 000 bandes spectrales, beaucoup plus de longueurs d’onde qu’un appareil photo numérique typique, ce qui lui permet de capturer la lumière visible ainsi que l’ultraviolet, le proche infrarouge et l’infrarouge à ondes courtes. Ces longueurs d’onde sont nécessaires car de minuscules particules ont tendance à diffuser la lumière le plus efficacement possible à des longueurs d’onde similaires à leur propre taille. Les bandes spectrales visibles de plus courte longueur d’onde fournissent des informations sur les plus petites particules (PM 2,5 et plus petit), tandis que les bandes infrarouges à ondes courtes fournissent des informations sur les plus grands types d’aérosols, comme la poussière et les volcans cendre. Les longueurs d’onde ultraviolettes sont sensibles à l’absorption de la lumière du soleil par des particules contenant certains types de matières minérales et organiques.

The electromagnetic spectrum
L’appareil photo numérique spécialisé de MAIA capturera la lumière du soleil se reflétant sur la Terre et son atmosphère en 000 bandes spectrales, lui permettant de capturer la lumière visible ainsi que l’ultraviolet, le proche infrarouge et l’infrarouge à ondes courtes. Crédit: NASA / JPL-Caltech

Alors qu’une caméra numérique ordinaire capture des images à l’aide d’une matrice rectangulaire de détecteurs (pixels), les détecteurs de MAIA sont disposés en rangées individuelles, un type de détecteur connu sous le nom d’imageur à balai. Alors que MAIA survole la Terre, le mouvement du satellite pousse les rangées de détecteurs sur la zone comme un balai sur un sol. Puisque le satellite se déplace à environ 19, 000 kilomètres (10, 500 miles) par heure, chaque exposition doit être très rapide .

An animation of how MAIA flies over Earth
Alors que MAIA survole la Terre, le mouvement du satellite pousse ses rangées de détecteurs au-dessus de la zone comme un balai sur un sol. Un mécanisme embarqué pointe sa caméra sur une cible au sol plusieurs fois au cours de chaque passage supérieur, permettant à la cible d’être imagée sous différents angles. Crédit: NASA / JPL-Caltech

L’observation de l’atmosphère sous plusieurs angles depuis un vaisseau spatial fait ressortir les aérosols plus en évidence sur le fond de la surface et nous informe de leur taille et de leur forme. La caméra de MAIA est montée sur un support qui tourne 25 degrés en avant et en arrière. Lorsque l’instrument survole une cible, un mécanisme pointe la caméra vers elle plusieurs fois, capturant successivement des images sous différents angles. La caméra pointe également à gauche et à droite, ce qui lui permet de voir les cibles même lorsqu’elles ne sont pas directement sous le satellite. Cela permet d’observer les zones cibles principales trois à quatre fois par semaine.

La lumière du soleil devient polarisée (c’est-à-dire que les ondes lumineuses ont un plan de vibration préféré) lorsqu’elle est diffusée par des particules en suspension dans l’air. En plaçant des filtres polarisants au-dessus des détecteurs de sa caméra et en utilisant un dispositif spécialisé appelé modulateur de polarisation, l’instrument MAIA peut mesurer avec précision le degré auquel la lumière entrante est polarisée par les particules atmosphériques. Cela fournit des informations supplémentaires sur la taille et la forme des particules.

MAIA est le principal instrument à bord de son satellite hôte commercial, Orbital Test Bed (OTB) -2, fourni par General Atomics Electromagnetic Systems. OTB-2 147 – l’orbite polaire de la Terre basse d’un kilomètre est «Soleil- synchrone », c’est-à-dire à chaque fois qu’il traverse l’équateur (environ chaque 60 minutes), l’heure locale est la même. Cela permet à MAIA de voir chaque ville cible à peu près à la même heure de la journée (en milieu de matinée).

Le docteur est DANS: L’équipe diversifiée de MAIA

MAIA réunit des experts du monde entier. Outre des scientifiques, des ingénieurs et des techniciens du JPL et d’autres centres de la NASA, l’équipe scientifique de MAIA se compose de chercheurs d’autres institutions américaines et internationales, y compris des universités et des agences gouvernementales. Parmi eux, le Département d’État des États-Unis fournit un soutien logistique pour le déploiement de l’équipement de surveillance de surface de MAIA dans le monde, et l’Agence américaine pour le développement international fournit un soutien financier pour analyser les données de surveillance de surface et mener des activités de renforcement des capacités en Afrique. De nombreux autres partenaires aident à faire fonctionner les instruments au sol et à planifier des études sur les effets sur la santé.

Cinq des co-chercheurs de MAIA sont des épidémiologistes en exercice. Diner dit que travailler avec eux a été une expérience fascinante.

«Notre équipe est diversifiée, nous avons donc dû apprendre à communiquer les uns avec les autres et à comprendre les rôles de chacun», a-t-il déclaré. «L’épidémiologie est complexe et repose sur des statistiques développées sur de longues périodes. Je ne prétends pas tout comprendre sur leurs méthodologies, mais j’ai beaucoup appris. En retour, nous l’espérons, nous leur avons donné une idée de la manière de concevoir une mission satellite à partir de zéro. C’est un monde différent de celui dans lequel ils ont été impliqués auparavant. »

Utilisations des données MAIA

MAIA produira des cartes gratuites et accessibles au public de PM 2.5 et PM 10 concentrations pour chaque zone cible principale. Le PM 2.5 seront divisées en plusieurs constituants chimiques clés: sulfate, nitrate, carbone organique, carbone élémentaire et poussière. Les épidémiologistes de MAIA utiliseront ces cartes en conjonction avec les dossiers de santé pour explorer les liens statistiques. Les résultats seront diffusés dans des publications évaluées par des pairs.

1. Data to radiance: The raw data from the satellite are converted to a measurement of radiance, or brightness, for each of MAIA's 14 spectral bands.
Crédit: NASA / JPL-Caltech

2. Radiance to aerosol data: The MAIA team uses an algorithm, or series of equations, to calculate aerosol optical depth (AOD) and other optical and physical characteristics of the pollution from the radiance and polarization measurements.
Crédit: NASA / JPL-Caltech

3. Aerosol to PM data: MAIA will convert AOD and other aerosol properties to concentrations of all types of PM by using data from air pollution monitors on the ground and weather and environmental data.
Crédit: NASA / JPL-Caltech

4. PM data to gap-filled maps: Combining the satellite data MAIA collects with data from computer models and surface monitors, the team will fill in the missing pieces.
Le traitement des données au sol convertira les données brutes de l’instrument satellite en mesures calibrées dans chacun des MAIA 14 bandes spectrales, calculer la profondeur optique des aérosols et autres optiques et caractéristiques physiques de la pollution, puis convertissez ces données en concentrations de différents types de particules. Pour combler les lacunes dans les données, les données satellitaires seront combinées avec des données provenant de modèles atmosphériques et de moniteurs de surface pour produire des cartes quotidiennes des concentrations de particules. Crédit: NASA / JPL-Caltech

En plus des études épidémiologiques, les données MAIA soutiendront d’autres applications, y compris des évaluations de l’impact de la pollution par les particules sur les environnements naturels et humains, des informations pour les régulateurs de la qualité de l’air et les décideurs, et la recherche sur les interactions des aérosols et des nuages ​​avec Le climat de la Terre.

Petite mission, grandes contributions

En fin de compte, Diner dit que MAIA donnera aux scientifiques, à la communauté médicale et aux décideurs qui réglementent la qualité de l’air de nouvelles informations qui peuvent permettre un air plus pur, une meilleure santé publique et des économies de coûts.

«J’espère que MAIA aidera à retracer la pollution particulaire jusqu’à ses sources, en fournissant les données de santé publique et de réglementation dont elles ont besoin pour contrôler les émissions de particules», a-t-il déclaré. “C’est satisfaisant de faire partie de quelque chose qui pourrait contribuer à réduire le fardeau de la maladie sur la société.”