Approche du complexe atmosphérique Outils méthodologiques, métrologiques

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1 Cours Nadine Bernard L3 BE DPCM Approche du complexe atmosphérique Outils méthodologiques, métrologiques Introduction : - Polluant primaire : émis directement par une source - Polluant secondaire : issu d une transformation d un polluant primaire Observation du compartiment atmosphérique lorsque ce système est non perturbé Non visible Non palpable Non olfactif Qualité altérée par : Des émissions naturelles (trépha lors d éruption volcanique explosive) Des émissions anthropiques (gaz émis lors de combustion d hydrocarbures) Structure de l atmosphère o Profils de l atmosphère réalisés grâce à des mesures : de pression de température d hygrométrie Ces mesures directes ont permis de définir les couches constitutives de l atmosphère terrestre o La stratification thermique de l atmosphère va donner leur nom aux différentes couches : - Dans la troposphère : 95% des phénomènes climatiques agissant sur les polluants (pluies, vents, ) De plus on perd 1 C quand on monte de 200m - Dans la stratosphère : la température augmente à cause de l O3 (ozone) : il capte des rayonnements énergétiques forts

2 Les chlorofluorocarbures (CFC) présents dans les aérosols et systèmes de réfrigération sont inertes dans la troposphère et passent dans la stratosphère où ils réagiront. Pour voir l atmosphère : navette spatiale à 400km La couleur rouge de la troposphère est due à l absorption des courtes longueurs d ondes. Pollution atmosphérique : problème actuel ou ancien? - Sénèque il y a 2000 ans : «dès que j aurai laissé derrière moi l oppressant air de la ville et les puanteurs des fumantes cheminées qui, une fois leurs feux allumés, vomissent toutes de pestilentes fumées et suies qu elles contiennent, je ne sentirais un autre homme» - 1 ère loi française du 15 octobre 1830 (Napoléon) : Ce décret règlemente les odeurs insalubres. Il s applique aux usines répandant ces odeurs (Pollution urbaine amplifiée par l ère industrielle du 20 ème siècle) - Loi française dite loi L.A.U.R.E, loi n du 30/12/96, sur l Air et l Utilisation Rationnelle de l Energie: «chacun à le droit à l information sur la qualité de l air et de ses effets sur la santé et l environnement» Fixation des objectifs et mise en place des protocoles de surveillance de la qualité de l air Meilleure information du public Etablissement de plans de protection et de lutte contre la pollution atmosphérique

3 Il y a un impact de la qualité de l air sur la santé humaine, MAIS il n existe pas de pathologie propre à la pollution atmosphérique (c est un facteur aggravant de certains symptômes (ORL, cardio-vasculaires, etc.) o Que mesure-t-on dans les zones urbaines? - CO, NO, NO2 (NOx), éléments métalliques, O3 - SO2 (seul élément en diminution dans l atmosphère) : émission très importante dans les années 70, mais réaction des industries en utilisant des combustibles moins soufrés. - Particules microscopiques en suspension dans l air. Mesuré à Besançon par ATMO FC Qualité de l air.pollution de l air? Composition théorique de l air sec => référence De nombreuses définitions relatives à la pollution atmosphérique : Définition du conseil de l Europe en 1967 : - un polluant atmosphérique = «toute substance étrangère ou dont la variation du taux dans l atmosphère est susceptible de provoquer un effet nuisible, ou de créer une nuisance ou un gène, compte tenu des connaissances scientifiques du monde» Définition qui évolue avec les connaissances o Généralités sur l atmosphère - Masse = 5,13.10(18) kg, la moitié de la masse se trouvant dans la troposphère en dessous de 5,5 km d altitude - L air atmosphérique est un mélange de vapeur d eau et d air sec - 2 principaux constituants gazeux O2 et CO2? (N2!) - A la température de 39 C, l air peut contenir de O à 7% de vapeur d eau - Atmosphère = Gaz + Aérosols : suspension dans un milieu gazeux de particules solides et liquides + Aérosols associés à des éléments minéraux et/ou biologiques (micro-organismes, pollens) o Interactions des constituants - Cas d O3 troposphérique Bilan nul pour O3 : équilibre entre NO, NO2, O3 En présence de Composés Organiques Volatils (COV), ils vont être oxydés et il y a coupure du cycle Bilan : accumulation d O3 On trouvera de l ozone en période estivale dans les espaces urbains (parc Micaud, ) et en périphérie d agglomération

4 A l heure actuelle, on sait qu il y a des éléments dans l air (pollen, ETM, ) : Comment ça interagit? Les grains de pollen sont en effet capables de capter des éléments mais on ne sait pas si les ETM sont absorbés ou adsorbés, on ne sait pas comment ça varie en fonction de l espèce. Peut provoquer une allergicinité supplémentaire si le grain de pollen est contaminé o Effet des constituants Au niveau des organismes - Animaux : O3 : irritation oculaire, atteintes pulmonaires et/ou cardiovasculaires - Végétaux : nécroses foliaires chez le tabac Bel W3. Au niveau des écosystèmes : Comment un complexe atmosphérique agit-il sur une chaîne trophique? Problèmes rencontrés dans le compartiment atmosphérique o Les différentes phases de la pollution de l air : o Les strates de la pollution atmosphérique : Echelle espace Echelle temps Problèmes rencontrés Polluants Locale Heures Pollutions urbaines SO2, NOx, CO, COV, Régionale Jours Pluies /pollutions photochimiques SO2, NOx / NOx, COV, CO planétaire années Couches O3 / effet de serre CFC, NOx / CO, CH4, N2O, O3, CO - L effet de serre est un processus naturel d échauffement de l air Sans l effet de serre, on serait à -18 C sur terre en moyenne.

5 Spectre des ondes électromagnétiques Onde électromagnétique = flux de photons qui se déplacent à la vitesse de la lumière la lumière est une onde électromagnétique La longueur d onde est la distance que l onde parcourt à chaque oscillation Plus l onde est courte, plus l onde transporte d énergie Présentation des polluants atmosphérique o Dioxyde de soufre SO2 - Origines : combustion de combustibles fossiles contenant du soufre Indicateur de pollution industrielle acide - Oxydation SO2 => acide sulfurique, sulfates particulaires [SO2] ambiantes ont diminué en France d environ 50% en 20 ans (développement du nucléaire, utilisation de combustibles (-) chargés en soufre et des systèmes de dépollution des cheminées d évacuation des fumées, économie d énergie) o Oxydes d azote (NOx) - Origines : NO2, combinaison entre le NO issu des véhicules et l oxygène de l air Proviennent des véhicules à environ 75% et des installations de combustion (centrales électriques) Pot catalytique => permet une diminution des émissions unitaires des véhicules. [NO2] diminue peu en raison de l augmentation du parc de véhicules, du trafic automobile et de l âge des véhicules. o Ozone (O3) - Origines : polluants secondaires => pas de source particulière Issu des réactions photochimiques (rayonnements UV solaires) initiées essentiellement par NOx, COV, CO. Pics de pollution sont de plus en plus fréquents, en zones urbaines et périurbaines. Pollution de fond augmente aussi. o Hydrocarbures (HC)

6 - Origines : combinaisons d atomes d hydrogène et carbone issus de l industrie et de combustion incomplète des carburants (imbrulés) o Composés Organiques Volatils (COV) - Origines : multiples Hydrocarbures (émis par évaporation des bacs de stockage pétrolier, remplissage des réservoirs automobiles Composés organiques (provenant des procédés industriels ou de la combustion incomplète des combustibles Solvants (émis lors d application de peintures, encres, nettoyage de surfaces métalliques et des vêtements) Composés organiques émis par agriculture et milieu naturel o Métaux lourds Exemple : le plomb (Pb) A été employé dans l essence du fait de ses propriétés antidétonant. Essence sans plomb => diminution des taux dans l air Le Cadmium (Cd) : origines diverses, essentiellement industrielles Le vanadium (v) : indicateur de combustible industriel et domestique. o Monoxyde de carbone CO - Origines : combustion incomplète, ex : moteurs, chauffage individuel. Echantillonnage de polluants atmosphériques o Mesures physicochimiques des gaz Condition de mesures standardisées (matériel de mesures, canne de prélèvement, hauteur, durée, température de l enceinte) Mesures en sites fixes, stations mobiles, camions labos Mesures en pollution dite de fond, de proximité Mise en commun des mesures standardisées pour la France (Environnement SA) - Exemple d échantillonnage des oxydes d azote, de l ozone Station de mesures fixes avec analyseurs NOx par chimioluminescence (AC31M) et analyseur d ozone par absorption dans l UV (O3 41M) (Environnement SA, 1996) Analyseurs en continu des oxydes d azote et de l ozone - Principe de la méthode de chimioluminescence pour NOx : Mesurer la lumière émise lors d une réaction entre polluants et un réactif, à l aide d un photomultiplicateur. L intensité lumineuse est proportionnelle à la concentration - Principe de la mesure : Mélanger à l air à analyser une quantité suffisante d O3 (produite par un générateur) pour oxyder le NO : NO + O3 -> NO2 + O2 (NO2 = état excité) NO2 > NO2 +h ( > 600nm) (Le retour à un état électronique se fait par émission d un photon, fluorescence> 600nm) Loi sur l Air et l Utilisation Rationnelle de l Energie (LAURE) du 30 décembre 1996 o Objectifs de qualité = Un niveau de concentration des substances polluantes dans l atmosphère minimal Fixé sur la base des connaissances scientifiques, dans le but d éviter, de prévenir ou de réduire les effets nocifs de ces substances pour la santé humaine ou l environnement

7 A atteindre dans une période donnée o Valeurs limites = Un niveau de concentration de substances polluantes dans l atmosphère maximal Fixé sur la base des connaissances scientifiques, dans le but d éviter, de prévenir ou de réduire les effets nocifs de ces substances pour la santé humaine ou l environnement A atteindre dans une période donnée o Seuils d alerte = Un niveau de concentration de substances polluantes dans l atmosphère au-delà duquel une exposition de courte durée présente un risque pour la santé humaine ou de dégradation de l environnement à partir duquel des mesures d urgences doivent être prises Composé Référence Norme en vigueur SO2 Moyenne max. journalière Max. horaire Objectif qualité < 100 à 150 µg/m3 Seuil info de la pop > 300µg/m3 PS Moyenne max. journalière Seuil de recommandation = 80 µg/m3 NO2 Nb de dépassement Nb de dépassement Objectif de qualité <135 µg/m3 sur 1h Seuil info de la pop > 200 µg/m3 CO Nb de dépassement Objectif de qualité <10 µg/m3 sur 8h O3 Moyenne max. journalière Nb de dépassement Max. horaire Objectif de qualité < 65 µg/m3 Objectif de qualité < 110 µg/m3 sur 8h Seuil info pop > 180 µg/m3 Procédures basées sur des dépassements horaires de 3 polluants pour l information du public : 2 types de seuils NO2 SO2 O3 Seuil d info et de recommandation 200 µg/m3 sur 2 capteurs dont au moins 1 de fond urbain 300 µg/m3 sur 2 capteurs 180 µg/m3 sur 2 capteurs d une zone homogène Seuil d alerte 400 µg/m3 sur 2 capteurs 600 µg/m3 sur 2 capteurs 360 µg/m3 sur 2 capteurs d une zone homogène Niveau d information du public défini par le décret du 6 mai 1998 et circuit de l information du public : - niveau I : mise en vigilance des services administratifs - niveau II : niveau d info et de recommandation - niveau III : niveau d alerte Indice ATMO : = Indice mis au point à la demande du Ministère de l Environnement Il répond à un besoin de quantifier l air d une zone de pollution homogène C est un indice de la qualité de l air, développé par le MEDD, l ADEME, l AASQA (associations agrées de surveillance de la qualité de l air) Buts : disposer d une information synthétique sur les pollutions atmosphériques dans les agglomérations

8 caractériser les pollutions atmosphériques moyennes quotidiennes mesurées dans les agglomérations destinées à l information du public L indice ATMO est calculé dans : la majorité des agglomérations de hab. quelques agglomérations de tailles inférieures LES AASQA calculent l indice et le diffuse tous les jours L indice ATMO est calculé à partir de concentrations journalières de 4 polluants : dioxyde d azote NO2 : moyenne horaire en µg/m3 ozone O3 : moyenne horaire en µg/m3 dioxyde de soufre SO2 : moyenne journalière en µg/m3 particules PM(10) : moyenne journalière en µg/m3 o Limites et contraintes Répondre à l information du public Constituer un indicateur représentatif de la qualité globale de l air Il n est pas représentatif des : - Situations particulières - Pointes de pollution qui peuvent être rencontrés au voisinage immédiat des sources de pollution Le mode de comparaison de l indice ne permet pas d établir des comparaisons rigoureuses entre agglomérations o Problématiques de la pollution atmosphérique en termes de santé publique La question des effets sanitaires se résume à celle des impacts de pics de pollution - Qu est-ce qu un pic de pollution ou épisode de pollution atmosphérique? Comment le borner dans l espace et dans le temps? - Qu est-ce qu un indicateur de pollution atmosphérique? - Impacts pollution chronique et aigüe? - Mesure polluant par polluant, et la synergie des polluants? - Homogénéité des expositions personnelles dans le temps et l espace? o PRQA : Plans régionaux de la qualité de l air Elaboration par le préfet de région Ces plans ont 3 dispositions : - Un inventaire d émissions et évaluation de la qualité de l air - Orientations visant à prévenir ou réduire la pollution atmosphérique ou d en atténuer les effets - Etablissement d objectifs de qualité de l air spécifiques PRQA révisable tous les 5 ans Outil d information du public + outil d orientation Définir le souhaitable du point de vue de la lutte contre les pollutions atmosphériques Orienter les études et les décisions ultérieures Ces orientations portent sur la : - Surveillance de la qualité de l air et ses effets sur la santé humaine, sur les milieux naturels et agricoles, et sur le patrimoine - Maîtrise des pollutions atmosphériques dues aux sources mobiles et fixes - Recommandation relative à l utilisation de meilleures techniques avec des énergies renouvelables