Outil numerique pour l étude des Sciences de l Environnement Terrestre POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE: CAUSES ET CONSÉQUENCES

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1 Outil numerique pour l étude des Sciences de l Environnement Terrestre POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE: CAUSES ET CONSÉQUENCES

2 OMER7-A est destiné au grand public, aux scientifiques et enseignants pour Comprendre, Evaluer, et Agir sur un système complexe en évolution : l Atmosphère

3 Dominique Serça, Maître de Conférence, Laboratoire d'aérologie

4 Atmosphère Définition: mélange de gaz contenant des particules solides et liquides en suspension Chimie atmosphérique et climat (GES)

5 Atmosphère Définition: enveloppe essentiellement gazeuse qui entoure le globe terrestre assure la distribution des échanges thermiques entre les zones froides et les zones chaudes du globe L'atmosphère est un milieu en mouvement (circulation générale) Frigidaire polaire Radiateur équatorial Frigidaire polaire

6 Transport(s) (a) Transport horizontal La pollution se transporte dans l atmosphère entière à travers les: Mélanges verticaux: diffusion turbulente dans la couche limite, instabilité thermique, convection; durée caractéristique: jour 1-2 mois 1 an 1-2 mois 2 semaines Mélanges zonaux (dans le sens des parallèles) dus à la circulation atmosphérique générale; durée caractéristique: semaine mois Mélanges méridiens (circulation cellulaire); durée caractéristique: mois-année Mélanges stratosphèretroposphère: mélanges faibles; durée caractéristique: plusieurs années (b) Transport vertical Stratosphère 10 km Troposphère 5 km 1 mois 1 semaine 2 km Couche limite 1 jour 0 km 10 ans

7 Échelles temps/espace des espèces chimiques D'après la définition physique de l'atmosphère, on peut en déduire que plus la durée de vie d'un polluant est longue, plus il sera transporté loin de sa source d'émission (et vice-versa) Impact à grande échelle Il y a donc un lien entre échelle temporelle (durée de vie) et échelle spatiale (zone géographique) pour les polluants dans l'atmosphère De plus, l'atmosphère étant un milieu mélangé (turbulent), plus la durée de vie d'un composé est longue, plus sa concentration est homogène (et vice-versa) Exemples Méthane: Temps de vie = 10 ans Temps grand devant celui requis pour mélanger le composé à l échelle de la planète ( 1 an) CH 4 bien mélangé, variabilité faible. L'impact des sources se fait à grande échelle. Radical OH : Temps de vie 1s OH n est quasiment pas transporté, sa variabilité spatiale et temporelle est grande. L'impact se fait au voisinage des sources.

8 Mais qu'est ce qui détermine la composition chimique de l'atmosphère?

9 Composition chimique atmosphérique? La composition chimique de l'atmosphère est déterminée naturellement par les échanges entre les différents milieux terrestres: Lithosphère (croûte terrestre), Hydrosphère - Cryosphère (eau liquide - solide), Biosphère (ensemble des organismes vivants), Atmosphère (enveloppe gazeuse) Échanges de matière les plus rapides (jours-mois): atmosphère - biosphère océan superficiel cycles biogéochimiques Cycles perturbés par l'homme

10 Cycle du carbone (cycle court, échelle temps: ans) échanges de CO 2 biosphère océanique et continentale - atmosphère Cycle très perturbé par l'homme distinction entre cycle préindustriel et cycle actuel Avant ère industrielle, flux à l équilibre: réservoirs constants dans le temps Exemples: Biosphère terrestre en équilibre avec flux vers le sol (50 Gt.an -1 ) et l'atmosphère (50 Gt.an -1 ), et flux retour atmosphère (100 Gt.an -1 ) Biosphère marine en équilibre avec océan superficiel et profond (10 Gt.an -1 )

11 Cycle carbone actuel Les perturbations du cycle naturel du carbone sont liées aux émissions de CO 2: - Par les combustibles fossiles (+6,4 Gt.an -1 ) - Par la déforestation (~ +2 Gt.an -1 ). Si tout le carbone émis par sources additionnelles s accumulait dans l atmosphère, l'augmentation du CO 2 atmosphérique atteindrait +0,7 % par an, or elle n'est égale "qu'à" +0,4 % par an (+1,4 ppm), soit 3.4Gt(c).an -1 (chiffre 1997) seule une fraction du carbone émis s accumule dans l atmosphère, le reste se retrouve dans les océans et la biosphère

12 Cycle carbone actuel: flux et stock modifiés Conséquences: Augmentation CO 2 atmosphérique Réchauffement planétaire Augmentation CO 2 océanique Acidification

13 Composition chimique atmosphérique? La composition chimique de l'atmosphère est aussi déterminée par des transformations chimiques de composés primaires en polluants secondaires (ozone, acides, particules) sous l'influence du rayonnement solaire. hv Oxydation en phase homogène (gaz) ou hétérogène (gaz/solide, gaz/liquide) O 3, H 2 O OH Polluants secondaires (ozone, acides, aérosols) Émissions de polluants primaires CO, HC, CH 4, NO, N 2 O, SO 2 aérosols Dépôt sec ou humide (composés acides)

14 Pourquoi étudie-t-on l'atmosphère? à cause de l'action de l'homme Changement planétaire des propriétés de l'atmosphère: Changement des propriétés réactives par augmentation des concentrations des différents polluants "pollution" Changement des propriétés radiatives par l'augmentation des concentrations des gaz à effet de serre changement climatique

15 Changement planétaire, les causes Augmentations des émissions directes - Combustibles fossiles (CO 2, CO, NO x, NMHC, SO 2 ) - Combustion de biomasse (CO 2,CO, NO x ) - Activités industrielles, exploitation de mines (Composés halogénés, CH 4, ) - Agriculture: élevage (ruminants, déchets), et culture (fertilisants) (CH 4, NH 3, N 2 O, ) - Stockage et incinération des déchets (CO 2, CO, POP, PCB, HAP ) Augmentations des émissions indirectes - Modification des échanges biosphère-atmosphère modifications état des surfaces émettrices liées à l'agriculture, la déforestation, le défrichage

16 Changement planétaire (GES), les causes Transport Accroissement [CO 2 ] Production électricité Fertilisation Élevage Mines et raffineries Accroissement [N 2 O] Accroissement [CH 4 ]

17 Changement planétaire, les conséquences Ozone troposphérique Dépôt acide Ozone stratosphérique "Pollution" chimique et impacts sur la santé, les écosystèmes Température moyenne du globe Canicule 2003 Changement climatique et impacts (élévation niveau océans, fonte glaces/glaciers, migrations/adaptations écosystèmes )

18 Effets ou impacts Métaux lourds "Polluants" SO 2 O 3 CO 2 en excès COV N 2 0 Dioxines Furanes Particules Fines (aérosols) NO x HCFC PFC HFC CO CFC Halons CH 4 NH 3 Pesticides Emissions (perturbées ou non)

19 Pascale Puppo, Enseignante de physique Chimie, Académie de Toulouse Dominique Serça, Maître de Conférence, Laboratoire d'aérologie

20 OMER7-A

21 OMER7-A Une interface générale permettant d isoler, une source, un polluant, un effet L eau dans l atmosphère L eau constitue le seul élément abondamment présent dans l atmosphère Le cycle de l eau sous ses trois états : gazeux, liquide, solide. Sa présence est indispensable non seulement au maintien de la vie sur la Terre mais également pour le rôle qu elle joue dans son bilan énergétique global. En outre, elle constitue l élément de base de la formation des nuages et donc de l évolution du temps qu il fait. Les différentes phases de l eau Vapeur Intimement mélangée à l air sec, la vapeur d eau (eau en phase gazeuse) n est détectable que par ses propriétés d absorption et d émission du rayonnement électromagnétique, essentiellement dans la gamme infrarouge. La quasi-totalité de la vapeur d eau réside dans la troposphère et participe au cycle de l eau, un mécanisme essentiel du fonctionnement de la "machine atmosphérique". Des fiches documentaires résumées et détaillées de difficultés variables (~50). Eau liquide ou solide La partie visible de l eau atmosphérique réside dans les nuages sous la forme de gouttes, de gouttelettes, de cristaux de glace et autres particules glacées. Elle constitue ce que les météorologues appellent la nébulosité. Si Ce schéma représente le cycle global de l eau sur la Terre : évaporation, à l'état gazeux l'eau ne perturbe pas la transparence de l'air, c est condensation, précipitations, écoulement, etc Les différents réservoirs d eau condensée en gouttes ou gouttelettes, ou à l état solide, sous forme de sont représentés en km 3 et les flux d échanges associés en km 3 par an. On voit cristaux de glace ou de neige, qu elle constitue un obstacle diffractant la que le réservoir océanique est de loin le plus vaste et que les échanges océanatmosphère sont les plus actifs. lumière et qu elle devient donc visible, partiellement ou totalement opaque Influence du cycle de l eau sur la composition de l atmosphère L eau à l état de vapeur est le principal gaz à effet de serre, elle a aussi une importance déterminante sur la composition de l atmosphère pour plusieurs raisons. - Le lessivage des gaz hydrosolubles et des aérosols: le dépôt par les précipitations dit dépôt humide est le principal mode de recyclage des substances chimiques qui transitent par l atmosphère. - La vapeur d eau est avec l ozone, l ingrédient nécessaire à la formation des radicaux hydroxyles qui sont les principaux oxydants des gaz atmosphérique, Formations nuageuses vue de l espace (source NASA). Les - La vapeur d eau permet la formation des nuages stratosphériques polaires qui jouent un nuages sont constitués d eau liquide ou solide qui diffracte la rôle important dans la destruction saisonnière de l ozone polaire lumière, ce qui leur confère une certaine opacité L accès à des bases de données (pollution=ademe et chimie de l atmosphère=ether), en accès libre (en cours de construction). Des activités pédagogiques grand public et scolaires

22 Pascale Puppo, Enseignante de physique Chimie, Académie de Toulouse Jean-Paul Castro, Enseignant de physique Chimie, Académie de Toulouse Maxime Janzac, Enseignant de SVT, Académie de Toulouse François Hokonique, Enseignant de SVT, Académie de Toulouse Dominique Serça, Maître de Conférence, Laboratoire d'aérologie

23 Différents types d activités pédagogiques Les activités A1 se traitent avec le logiciel OMER7-A seulement Les activités A 2 et A 3 se traitent le logiciel OMER7-A et des ressources extérieures (via Internet). Les activités A 0 sont des extraits des activités A 1, A 2 et A 3 dont chaque page (diapositive) peut être traitée indépendamment. Remarques: Les corrections des activités sont accessibles dans la rubrique «Espace des enseignants» grâce au mot de passe :!Omervisu& (Attention «O» en majuscule!) Le niveau de difficulté des activités n est pas spécifiquement mentionné bien qu il soit souvent croissant avec la numérotation.

24 Quelques recommandations Réaliser l activité soi-même avant de la proposer aux élèves afin d identifier les difficultés et estimer le temps nécessaire pour atteindre les objectifs visés. Vous serez peut-être amenés à ne sélectionner que certaines parties en fonction des contraintes identifiées (voir les activités A 0 dans ce cas). S approprier le logiciel OMER7-A en visualisant le didacticiel qui se trouve dans la rubrique «OMER7-A» du menu. Vous repèrerez ainsi sur l interface du logiciel les différentes entrées, les fiches documentaires. Dans un souci d économie de temps en classe, vous pourrez résumer vous-même aux élèves les différentes fonctionnalités du logiciel. Imprimer la fiche activité pour éviter d'avoir à ouvrir simultanément trop de fenêtres à l écran. Enregistrer dans les favoris les adresses Internet des ressources extérieures.

25 Quelques suggestions Utiliser les ressources extérieures et la base de données d OMER7-A Adapter les activités à un projet, au niveau des élèves Mixer les activités en créant un fil conducteur: utilisation des activités A 0 Rendre concrets les phénomènes étudiés: expérience sur la fonte des glaces, Remédier à la représentation erronée des élèves : schéma synthèse ou carte mentale Exemples d activités en classe et retours d expérience: cf. synthèse de l ARED (Atelier de Réflexion et d Echange en vue d une Diffusion) sur OMER7-A