Les villes sont la plus grande source de gaz à effet de serre au monde. Près de 70% de toutes les émissions anthropogènes sont générées dans, autour et par les villes. En même temps, elles disposent d'une grande marge de manœuvre pour réduire ces émissions. De nombreuses zones urbaines ont des objectifs climatiques plus ambitieux que leurs pays respectifs – c'est le cas de la ville de Zurich, qui souhaite atteindre un bilan net nul dès 2040. Pour réduire les émissions de gaz à effet de serre en si peu de temps, il faut des données fiables. Elles montrent les progrès, reflètent l'efficacité des mesures, et créent des incitations en rendant les émissions plus visibles et plus tangibles. « Il n'y a pas de régime qui réussisse sans une balance », résume Lukas Emmenegger, directeur du laboratoire « Émissions atmosphériques / Techniques environnementales » de l'Empa.

Mais comment mesurer les émissions de toute une ville ? C'est la question à laquelle s'intéresse le projet européen « ICOS Cities », dont Zurich est l'une des trois villes pilotes avec Paris et Munich. Dans le cadre d'« ICOS Cities », des scientifiques veulent développer, en collaboration avec des administrations municipales, des méthodes de mesure et de modélisation des émissions dans les villes. Le fait que Zurich soit l'une des trois villes « sélectionnées » n'est pas dû au hasard. « La ville possède déjà des données de grande qualité sur ses émissions, dispose d'un 'jumeau numérique' et est très ouverte dans l'utilisation de ces ressources », explique Lukas Emmenegger. Mais l'Empa y a aussi contribué : « Au lancement d'‹ ICOS Cities ›, nous avions déjà un réseau de mesure du CO₂ dans toute la Suisse, y compris à Zurich », explique Dominik Brunner, chercheur à l'Empa.

« Il n'y a pas de régime qui réussisse sans une balance », résume Lukas Emmenegger, directeur du laboratoire « Émissions atmosphériques / Techniques environnementales » de l'Empa les mesures de « ICOS Cities ». Image : Pekka Pelkonen / ICOS RI

Dans le cadre d'« ICOS Cities », les chercheurs de l'Empa ont étendu ce réseau à 60 sites répartis dans toute la ville. Les petits appareils de mesure bon marché sont discrètement suspendus aux réverbères et aux arbres de l'Uetliberg à Irchel. Ce réseau de capteurs « low-cost » est complété par un réseau de capteurs « mid-cost ». En collaboration avec Swisscom, les chercheurs de l'Empa ont pu installer une vingtaine d'instruments plus complexes près d'antennes de téléphonie mobile en ville. Une tour de mesure installée sur le toit d'un immeuble de la Hardau complète l'éventail des mesures. Des mesures de haute précision y ont été temporairement effectuées sous la direction de l'Université de Bâle afin de mesurer d'autres gaz à effet de serre comme le méthane et le protoxyde d'azote et de comprendre les flux complexes de CO₂ au-dessus de la ville.

En effet, les mesures ponctuelles de la concentration de CO₂ n'en disent pas encore beaucoup sur les émissions. La topographie complexe de la ville, notamment celle de Zurich, crée des flux d'air difficilement prévisibles qui peuvent rapidement éloigner le gaz à effet de serre de sa source d'émission. « Un autre défi consiste à distinguer les émissions anthropiques du cycle naturel du CO₂ dans l'atmosphère », explique Dominik Brunner. Les grandes forêts qui entourent la ville « respirent » chaque jour de grandes quantités de dioxyde de carbone. L'Université de Bâle mesure et étudie également ces fluctuations naturelles par les plantes.

Discrets: Deux appareils de mesure du CO₂ sur un lampadaire à Zurich. Image : Pekka Pelkonen / ICOS IR

Les chercheurs de l'Empa intègrent ces données et toutes les autres données du projet - et elles sont nombreuses - dans leurs modèles. La modélisation est la dernière étape, et la plus importante, pour comprendre les émissions de la ville. Où se forme le CO₂ mesuré ? Quelle est l'influence de la météo sur les concentrations ? Quelle est la part naturelle et la part anthropique ?

Les réponses à ces questions, l'équipe autour de l'expert en modélisation Dominik Brunner les cherche en collaboration avec des partenaires à l'étranger. Pour ce faire, ils développent deux modèles : l'un montre à environ un kilomètre près comment la ville libère du dioxyde de carbone. Le second modèle « voit » même des bâtiments individuels. « Nous comparons ces modèles avec les estimations d'émissions de la ville, ce que l'on appelle l'inventaire CO₂ », explique Dominik Brunner. Le travail, notamment sur le modèle complexe à haute résolution, n'est pas encore tout à fait terminé. Mais les résultats sont prometteurs. Pour l'hiver 2022/23, les chercheurs ont par exemple pu mesurer et modéliser une réduction sensible : La ville avait alors sensiblement réduit sa consommation d'énergie en raison de la crise énergétique. Les modèles fonctionnent.

Cette compétence en matière de modélisation est une autre raison pour laquelle c'est justement Zurich qui a été choisie comme ville pilote. « L'Empa est l'un des rares instituts au monde à réunir sous un même toit à la fois des mesures et des modélisations », dit Lukas Emmenegger. En tant que partenaire fondateur du Réseau national d'observation des polluants atmosphériques (NABEL), en service depuis 1979, l'Empa peut se targuer d'une longue « carrière » dans la mesure des gaz (à l'état de traces) dans l'air.

Si, dans les années 1970, seuls les polluants étaient au centre des préoccupations, le dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre occupent aujourd'hui aussi les chercheurs. En développant et en comparant différentes méthodes de mesure et différents modèles dans le cadre d'« ICOS Cities », ils veulent élaborer une sorte de livre de recettes pour Zurich et d'autres villes, avec différentes recettes pour surveiller leurs émissions de CO₂. Le projet se poursuit jusqu'en 2025, après quoi ce sera au tour des villes de cuisiner ce qu'elles veulent avec les « recettes » issues du projet. « La ville de Zurich est un partenaire important et engagé dans le projet », déclare Lukas Emmenegger. « Nous espérons que nos conclusions l'aideront à atteindre ses objectifs climatiques ».

L'« Integrated Carbon Observation System » (ICOS) est une infrastructure de recherche européenne qui étudie le cycle global du carbone et son influence sur les activités humaines. Actuellement, ICOS collecte des données standardisées et librement accessibles de plus de 180 stations de mesure dans 16 pays. La Suisse y participe avec des stations situées au Jungfraujoch et à Davos. Avec le projet « ICOS Cities », ICOS veut créer des bases pour élargir ses trois axes existants – atmosphère, océans et écosystèmes – aux villes en tant qu'émetteurs importants de CO₂. ICOS Suisse se compose des institutions ETH Zurich, Empa et WSL, des universités de Berne et de Bâle ainsi que de MétéoSuisse.