Comment l’IA aide les villes à lutter contre la pollution invisible

Dans les villes, la pollution atmosphérique peut varier fortement d’une rue à l’autre. Les fumées peuvent s’accumuler entre les bâtiments de grande taille, se concentrer aux carrefours très fréquentés ou se diriger vers le portail d’une école. Toutefois, les villes ne disposent souvent pas des prévisions détaillées nécessaires pour agir avant que les niveaux ne deviennent dangereux.

Pour Soledad Le Clainche, professeure en mathématiques appliquées à l’université technique de Madrid et responsable du groupe de recherche ModelFLOW, une meilleure compréhension des déplacements de l’air dans les villes pourrait contribuer à relever l’un des plus grands défis auxquels est confrontée l’Europe en matière de santé environnementale.

Dans le cadre d’un projet de recherche financé par l’UE intitulé MODELAIR, Soledad Le Clainche collabore avec des chercheurs belges, néerlandais, suédois et britanniques afin de rendre le phénomène invisible et très local de la pollution urbaine plus compréhensible pour les villes.

«De nombreux chercheurs développent des outils de lutte contre la pollution atmosphérique, mais nous sommes les premiers à calculer, en temps réel, la pollution en 3D des zones urbaines que nous étudions», déclare-t-elle.

Villes virtuelles fondées sur l’IA

Les chercheurs de MODELAIR développent des «jumeaux numériques» en 3D des villes, fondés sur l’IA. Combinant des simulations informatiques, des données de capteurs et des modèles 3D, ces jumeaux numériques fournissent une image en temps réel de la qualité de l’air urbain à l’échelle de la rue.

L’objectif est d’aider les autorités municipales à prendre des décisions plus éclairées sur la planification du trafic, la surveillance locale et les zones où appliquer les mesures de lutte contre la pollution. La recherche complète la mission de l’UE pour des villes intelligentes et neutres pour le climat, qui aide les villes européennes à réduire leurs émissions et à améliorer la vie urbaine.

Les outils sont testés à Bruxelles, Madrid et Bristol. Chaque ville étudie une utilisation différente, allant de la compréhension des effets de l’urbanisme à l’amélioration de la surveillance locale, en passant par l’expérimentation de solutions pratiques.

La grande majorité des habitants des villes européennes est exposée à des niveaux de pollution atmosphérique supérieurs à ceux que l’Organisation mondiale de la santé (OMS) considère comme sûrs. La pollution atmosphérique accroît le risque de maladies cardiaques, d’accidents vasculaires cérébraux et de cancers divers, et elle aggrave l’asthme et les infections respiratoires. Bien qu’elle soit souvent invisible, elle n’est pas à prendre à la légère.

L’Agence européenne pour l’environnement a estimé qu’en 2023, la réduction de la pollution atmosphérique aux niveaux recommandés par l’OMS aurait permis d’éviter 182 000 décès dus aux particules fines, 63 000 décès dus à l’exposition à la pollution par l’ozone et 34 000 décès dus au dioxyde d’azote gazeux dans les 27 États membres de l’UE.

De nouvelles données indiquent également que la pollution atmosphérique est une cause possible de démence, a déclaré l’OMS, et que les pays d’Europe de l’Est et du Sud-Est ont été les plus touchés par la pollution.

Bien que la pollution atmosphérique se soit généralement améliorée en Europe, de nouvelles découvertes surprenantes concernant ses effets néfastes ne cessent d’apparaître. Une étude de 2025 a montré que l’exposition à des particules fines courantes et à des oxydes d’azote dans l’air au cours des 18 premières années de vie est liée à des problèmes de santé cardiovasculaire, en particulier à une pression artérielle plus élevée chez les jeunes adultes.

À l’échelle de la rue

Soledad Le Clainche et ses collègues cherchent à sortir du cadre habituel qui se limite à une vision d’ensemble des niveaux globaux de pollution d’une ville.

L’équipe utilise des «agents» d’IA, des assistants logiciels qui rassemblent en permanence des informations provenant de capteurs, de prévisions météorologiques et de modèles informatiques pour produire des prévisions locales.

Certaines méthodes du projet sont déjà disponibles au moyen de l’application libre ModelFLOWs-App.

Les modèles disponibles aujourd’hui peuvent nous fournir des informations utiles, mais ils ne donnent pas toujours aux villes l’image détaillée dont elles ont besoin pour agir. Le défi consiste à rassembler toutes les informations dont nous disposons, provenant des stations de surveillance de la qualité de l’air et d’autres sources de données limitées, et à les associer à des simulations très détaillées du déplacement de l’air dans une ville.

«C’est ce que fait MODELAIR, ce qui nous permet de faire des prédictions beaucoup plus précises sur la manière dont les polluants se déplacent dans les zones urbaines», explique Alessandro Parente, expert en flux d’air et en IA pour les jumeaux numériques à l’université libre de Bruxelles en Belgique, et membre de l’équipe de MODELAIR.

«Les villes peinent à prendre des décisions en matière de pollution atmosphérique», ajoute-t-il.

Lancée en 2023, l’initiative combine des répliques de villes 3D informatisées et des expériences en soufflerie pour tester et affiner ses prévisions.

Réagir en temps réel

La compréhension du comportement des particules et de la pollution gazeuse est compliquée par l’environnement 3D complexe des villes, où des variables telles que la pression, le vent et la chaleur peuvent varier d’heure en heure et avoir une incidence sur les niveaux de pollution.

Alessandro Parente ajoute que l’équipe souhaite une collaboration entre les scientifiques et les agents d’IA afin de combler les lacunes et de prévoir ce qui se passe à un coin de rue ou à un carrefour spécifique.

«Les agents d’IA rassemblent des données expérimentales, réalisent des prédictions et suggèrent des réponses possibles», déclare Alessandro Parente. «Mais il est important de préciser que l’IA ne peut que formuler des suggestions. Il appartient toujours aux scientifiques d’évaluer ces suggestions et, en fin de compte, aux décideurs politiques de décider s’il y a lieu d’y donner suite et de quelle manière.»

Les informations en temps réel pourraient aider les urbanistes à évaluer des options telles que la modification des flux de trafic ou le choix de l’implantation de l’industrie locale.

«Vous pourriez dévier le trafic pour éviter les embouteillages ou contribuer à contrôler les effets d’îlot thermique en adaptant l’aménagement des nouveaux quartiers d’une ville», indique Soledad Le Clainche.

Le phénomène des îlots de chaleur urbains s’explique par le fait que l’asphalte, le béton et les bâtiments retiennent la chaleur, ce qui encourage la formation d’ozone et piège les polluants dans certaines rues.

Planification urbaine, déviation du trafic

Les agents d’IA pourraient suggérer la plantation d’arbres dans des endroits spécifiques afin de réduire la température, d’absorber certains polluants et de créer de l’ombre, par exemple. En fin de compte, les scientifiques et les décideurs politiques utiliseraient les informations détaillées à l’échelle de la rue fournies par le jumeau numérique pour décider exactement où intervenir.

«Un jumeau numérique est un outil qui reproduira une petite zone urbaine, en nous donnant des informations sur le lien entre la configuration du flux d’air et les niveaux de pollution élevés», explique Soledad Le Clainche. «Nous créons des outils qui peuvent être réellement utiles pour les municipalités. Madrid est déjà très intéressée par leur utilisation.»

Après avoir combiné des simulations haute-fidélité avec des données réelles, les chercheurs s’apprêtent à tester un outil de prise de décision en temps réel dans le quartier bruxellois d’Ixelles. À Madrid, ils utiliseront les modèles pour évaluer les options d’orientation de la circulation.

Un partenaire du projet, la société belge d’ingénierie BuildWind, développe des modèles de villes numériques pour examiner les mouvements du vent, les microclimats et la qualité de l’air à l’échelle de la rue. Sa plateforme BrusAir cartographie la pollution atmosphérique à Bruxelles, y compris à proximité de lieux sensibles tels que les écoles.

«Ces informations sont destinées à aider les urbanistes et l’administration municipale à comprendre exactement où se concentrent les polluants», indique Alessandro Gambale, PDG de BuildWind.

BuildWind a travaillé avec des scientifiques tels qu’Alessandro Parente sur des problèmes concrets liés à la pollution atmosphérique et espère que les nouvelles recherches renforceront encore BrusAir. Les résultats de la recherche de MODELAIR bénéficieront d’une diffusion plus large vers la fin de cette année.

Si l’approche fonctionne comme prévu, elle pourrait fournir aux villes une vue plus détaillée de l’air que respirent les habitants dans leurs propres rues, ce qui leur permettrait de décider plus facilement quand et où prendre des mesures avant que la pollution ne s’accumule.

Cet article a été initialement publié dans Horizon, le magazine de la recherche et de l’innovation de l’Union européenne (en anglais).

Les travaux de recherche évoqués dans cet article ont été en partie financés par le programme «Actions Marie Skłodowska-Curie (AMSC)» de l’UE.

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