La pollution atmosphérique Activité La pollution de l air atmosphérique : Conséquences et remèdes «Médiatrice entre la terre et le cosmos, l atmosphère modère les flux d énergie entre le Soleil et la surface terrestre, répartit l énergie et l eau des zones où elles sont abondantes vers celles qui sont moins bien pourvues et intervient de façon prépondérante dans le climat. Elle rend possible la vie sur Terre, mais les activités humaines menacent de plus en plus son équilibre complexe et fragile. Fort heureusement, une prise de conscience collective, associée à de meilleures méthodes d investigation et d évaluation des risques, fait naître l espoir : la conférence des nations Unies sur l Environnement et le Développement, qui s est tenue à Rio de Janeiro en juin 1992, a réuni des représentants de 178 pays (dont 117 chefs d Etat ou de gouvernement) ; elle a débouché sur la «Déclaration de Rio» (ou «Charte de la Terre»), qui énonce 27 principes sur la bonne gestion des ressources des planètes et sur la protection du milieu naturel.» Document 1 : La pollution de l air atmosphérique 1. Les principaux polluants de l atmosphère Le monoxyde de carbone CO Il est dû principalement, dans notre hémisphère, à l utilisation de combustibles fossiles (chauffages industriels et domestiques, voitures automobiles) et, dans l hémisphère sud, au brûlage des savanes et des forêts tropicales. Gaz très toxique, il est redouté localement dans les grandes métropoles par temps anticyclonal, mais il inquiète surtout les scientifiques parce que l augmentation de sa concentration dans la basse atmosphère (biosphère) favorise l accumulation d ozone, gaz très toxique pour les humains et pour les plantes, et de méthane, qui participe à l effet de serre. Il réagit avec les radicaux hydroxyle de l air qui le transforment notamment en CO 2. En consommant une partie de ces radicaux, il réduit sensiblement leur rôle de «nettoyeur de l atmosphère» (les radicaux OH, produits par une réaction photochimique entre H 2 O et O 2, oxydent, entre autres, le méthane). Le dioxyde de carbone CO 2 Gaz non toxique, il est naturellement présent dans l air atmosphérique. Seule sa concentration excessive, due à l utilisation des combustibles fossiles, est dangereuse parce qu elle accroît l effet de serre. Les oxydes d azote N 2 O, NO et NO 2 L hémioxyde d azote est produit par la dégradation des engrais azotés. Le monoxyde et le dioxyde d azote (souvent notés NO x ) se forment au cours des combustions dans l air à haute température (entre autres, dans les chambres de combustion des moteurs à essence et, plus encore, des moteurs Diésel). Ils sont très toxiques, en partie responsables de pluies acides (par formation de l acide nitrique HNO 3 ) et interviennent dans la disparition progressive de la couche d ozone de la stratosphère. 179 La pollution atmosphérique
Le dioxyde de soufre SO 2 Il résulte pour l essentiel des activités humaines (utilisation des combustibles fossiles), mais il ne faut pas négliger l apport, parfois massif, des émissions volcaniques. Il est très toxique et, en partie, responsable des pluies acides (par formation de l acide sulfurique H 2 SO 4 ). Le méthane CH 4 Il provient de dégradations en l absence de dioxygène (marécages, rizières, ventres des ruminants, décharges d ordures, mines de charbon, fuites de gaz naturel, etc.). Le flux de méthane relâché annuellement dans l atmosphère est évalué à environ 500 Mt, mais une suite de réactions chimiques, dont le premier terme est une réaction entre le méthane et les radicaux hydroxyle de l air (CH 4 + OH CH 3 + H 2 O), en élimine une partie. Gaz non toxique, il participe à l effet de serre. L ozone O 3 de la basse atmosphère Gaz assez réactif, l ozone irrite les poumons et se révèle dangereux pour les personnes qui souffrent d insuffisance respiratoire. Il est produit dans la basse atmosphère par des réactions faisant intervenir des hydrocarbures «partiellement brûlés» et des oxydes d azote (il s agit des réactions provoquant le smog). Ces conditions se rencontrent en été dans l air pollué par un fort trafic automobile. L ozone est produit aussi dans les régions tropicales où l on brûle d importantes quantités de matières végétales et aux altitudes où circulent les avions de ligne. Les chlorofluorocarbones (ou CFC) Non seulement ils participent à la destruction de l ozone de la haute atmosphère, mais ils interviennent dans l effet de serre. Leur usage est désormais réglementé depuis l adoption du «Protocole de Montréal» en 1987. Les principaux pays producteurs ont décidé d abandonner progressivement la fabrication et l utilisation de ces produits. 180 La pollution atmosphérique
Les particules de carbone Essentiellement produites par les moteurs Diésel, leur action néfaste sur les voies respiratoires est localisée dans les zones de forte circulation automobile. Des solutions sont à l étude Origines naturelles Origines humaines Part des émissions humaines par rapport aux émissions totales CO 2 combustion, respiration, fermentation, volcanisme et échange avec les océans combustion, déforestation et cimenteries 35 % CO combustion et décomposition de végétaux combustion CH 4 fermentation anaérobie des gisements rizières, élevage 64 % HC* émanation de la biomasse et des gisements transports, pétrochimie NO 2, NO orage, volcanisme transports 63 % N 2 O décomposition de végétaux déforestation, engrais 24 % SO 2 volcanisme combustion, métallurgie 66 % O 3 Réactions photochimiques dans la stratosphère réactions photochimiques en zones polluées - C.F.C.** aérosols, réfrigération 100 % * HydroCarbures ** chlorofluorocarbures Document 2 : Origine des principaux polluants atmosphériques 1. Quels sont les principaux polluants de l atmosphère qui participent à l effet de serre? 2. Quelles sont leurs origines? 3. Précisez leurs éventuelles interactions avec l air atmosphérique? 4. Citez les émissions polluantes majoritairement dues aux activités humaines. 181 La pollution atmosphérique
Document 3 : La fermentation anaérobie dans les rizières produit du méthane CH 4 Document 4 : La déforestation par le feu est une source importante de pollution atmosphérique dans les zones tropicales, comme en Indonésie en 1997 Document 5 : Pollution d origine humaine (industrielle) Document 6 : Pollution d origine humaine (circulation automobile) Document 7 : Eruption volcanique (Hawaï) 182 La pollution atmosphérique
5. Chaque photographie (documents 3, 4, 5, 6 et 7) illustre l une des origines de la pollution atmosphérique. Précisez, pour chacune d entre-elles : - cette origine ; - les polluants formés ; - leur action sur l environnement. 2. Conséquences de la pollution : Les effets directs sur la santé L effet le plus facilement identifiable est l apparition de troubles respiratoires et pulmonaires dus à l acidification des muqueuses par dissolution du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre dans l eau qu elle contiennent. Cette acidification provoque des irritations, puis des lésions de ces muqueuses. Le dioxyde d azote et l ozone provoquent, eux aussi, des troubles respiratoires et une fragilisation des bronches face aux infections microbiennes. Les hydrocarbures, bons solvants des graisses, sont nocifs pour le système nerveux dont les cellules baignent dans un milieu très lipidique ; en outre, de nombreux hydrocarbures aromatiques présents dans les résidus imbrûlés des essences et les vapeurs des goudrons sont cancérogènes. Signalons enfin la toxicité des composés des métaux lourds tels que le mercure, le cadmium et le plomb, dont des quantités importantes sont rejetées par les véhicules utilisant de l essence plombée. Tous ces effets sur la santé ont amené l Organisation Mondiale de la Santé à définir les niveaux de pollution en deçà desquels il n y a pas de conséquences néfastes observables ; à partir de ces niveaux, la C.E.E. a fixé des normes de qualités de l air. Durée d exposition Niveau admis (μg.m -3 ) SO 2 1 an 24 h 80 à 120* 250 à 350 * PS 1 an 24 h 40 250 NO 2 24 h 1 h 150 200 O 3 8 h 1 h 110 180 Pb 1 an 2 * selon le taux de poussières (PS) niveaux tolérés moins de sept jours par an Document 8 : Normes simplifiées de qualité de l air définies par l U.E. 6. Précisez en quelques lignes les principaux effets de la pollution atmosphérique sur la santé humaine. 7. Combien de temps par semaine peut-on rester sans danger dans une atmosphère contenant 150 μg.m -3 de dioxyde d azote NO 2? 183 La pollution atmosphérique
3. Conséquences de la pollution : Les répercussions sur l environnement L effet de serre «Les radiations émises par le Soleil sont situées dans l ultraviolet, le visible et le proche infrarouge. La Terre émet aussi des radiations, mais sa surface étant bien plus froide, son spectre d émission est décalé dans le moyen et le lointain infrarouge. L énergie rayonnante provenant du Soleil et reçue par la Terre est renvoyée par le sol et rencontre, sur son chemin, l atmosphère terrestre. Par réflexion sur l atmosphère, une partie de cette énergie revient sur Terre, pendant qu un autre partie va se perdre dans le vide sidéral. La partie revenue sur Terre sera réémise ultérieurement. Finalement un effet d équilibre s établit entre l énergie reçue par la Terre et l énergie réémise, cette dernière étant finalement égale à l énergie reçue, mais réémise avec un certain retard dans le temps. En première approximation, toutes les molécules de l atmosphère, à l exception des molécules diatomiques homonucléaires (comme N 2 et O 2 ), participent à l effet de serre : elles sont «transparentes» au rayonnement solaire mais elles absorbent en partie le rayonnement terrestre (essentiellement les radiations de longueur d onde comprise entre 2 et 5 micromètres). Par désexcitation elles restituent à la troposphère et à la Terre l énergie qu elles ont absorbée. L effet de serre «réchauffe» la Terre de 33 C environ, ce qui permet de maintenir des températures favorables à la vie. C est l accroissement progressif de cet effet de réchauffement qui est à craindre.» Document 9 : L effet de serre Document 10 : Schéma illustrant l effet de serre *L atmosphère renvoie vers la Terre une partie de l énergie reçue du Soleil et réémise par le sol. 184 La pollution atmosphérique
8. Décrivez en quelques lignes le phénomène de l «effet de serre». 9. Quelle serait la température moyenne sur la Terre en l absence de l effet de serre sachant qu elle est actuellement de 12 C? 10. Quels gaz de l atmosphère participent à l effet de serre? 11. Comment peut-on lutter contre l accroissement de l effet de serre et ses conséquences désastreuses à long terme? Les pluies acides Document 11 : Monument dégradé à Leipzig Document 12 : Cette forêt est victime des pluies acides provoquées par les dégagements de dioxyde de soufre de la région industrielle voisine Les illustrations ci-jointes montrent le résultat de l action des pluies acides sur les forêts et les bâtiments en pierres. En faisant appel à vos connaissances de l an dernier, répondez aux questions suivantes : 12. Que sont les pluies acides? 13. Comment se forment-elles? 14. Quels sont les résultats de leur action sur l environnement? Le trou d ozone et les smogs photochimiques «Le grand public associe le mot «ozone» à celui de pollution : le trou de l ozone, les CFC, l effet de serre, tout se mélange. Comment y voir plus clair? En fait, il y a deux types de problèmes dans lesquels est impliqué l ozone : ceux qui relèvent de la stratosphère (15 à 50 km de la Terre), et ceux qui relèvent de la troposphère (couches de 0 à 15 km environ). Le trou de l ozone : Le fameux trou de l ozone concerne la stratosphère. L ozone (O 3 ), est un constituant minoritaire de l atmosphère (quelques parties par million ou p.p.m.). Mais cette faible quantité d ozone est indispensable au maintien de la vie sur la Terre, car il absorbe les rayons ultraviolets les plus nocifs de la lumière 185 La pollution atmosphérique
solaire. L ozone fait l objet de mesures depuis 1957. En 1979, les observations notent un «trou» dans l ozone, c est-à-dire une diminution de l épaisseur de la couche d ozone au-dessus de l antarctique au moment du printemps austral (octobre). Ce trou saisonnier a été observé depuis, chaque année, avec une tendance à la diminution de l épaisseur la couche. Ce phénomène semble lié à la présence d éléments chlorés apportés, entre autres par les chlorofluorocarbures (C.F.C.) : l atmosphère du continent antarctique reste isolée du reste du monde pendant 4 mois (de juillet à septembre) à cause de vents tourbillonnaires. Il se produit alors des réactions photochimiques qui aboutissent à la destruction de l ozone par le chlore. Pourquoi accuse-t-on les C.F.C.? Il existe des sources naturelles de chlore (émissions volcaniques, biosphère océanique), mais on pense que ces produits sont détruits avant d atteindre la stratosphère, contrairement aux C.F.C. très stables qui ont le temps d y arriver. Ce serait donc l homme qui perturberait l équilibre de l ozone, puisque les C.F.C. sont des produits non naturels, découverts en 1928 et utilisés depuis 1931 (gaz d aérosols (30 %), fluides réfrigérants (30 %), agents gonflants de mousses plastiques (30 %), solvants pour l industrie électronique (10 %)). Ces C.F.C. mettent plusieurs années à franchir la barrière équatoriale et à gagner la haute atmosphère, d où un décalage important entre le moment de l émission et celui de l effet sur la couche d ozone. Cette théorie de la diminution de la couche d ozone est cependant controversée par certains scientifiques qui proposent une origine naturelle liée à des variations climatiques à long terme. Quoi qu il en soit, la communauté internationale a décidé de réduire fortement les émissions de C.F.C. avec la perspective de les interdire d ici l an 2000. On utilise ainsi d autres gaz propulseurs dans les aérosols (méthane, azote, protoxyde d azote N 2 O, etc), avec la mention commerciale «protège la couche d ozone». L ozone et la pollution de proximité Les phénomènes naturels (volcanisme, orages) et l activité humaine (transports, industrie) envoient dans l atmosphère des gaz dits «polluants» tels que oxydes d azote (notés NO x, pour NO et NO 2 ), hydrocarbures (notés HC), monoxyde de carbone (CO), et du dioxyde de carbone (CO 2 ), qui, s il n est pas toxique, est cependant dangereux pour l environnement à cause de «l effet de serre» qu il provoque. Ces polluants «primaires» (NO x, HC, CO) interviennent dans la création d une pollution «secondaire», la pollution photochimique : sous l influence du rayonnement solaire ultraviolet, il se produit diverses réactions chimiques qui conduisent à la formation d ozone et de péroxyacétylnitrate (PAN), composés chimiques générateurs de «smog photochimique» caractéristique des grandes agglomérations ensoleillées (Mexico, Los Angeles, Athènes). Dans la basse atmosphère, il ne s agit donc pas de «trou» de l ozone, mais, au contraire, de production anormalement élevée d ozone. Pollution photochimique On peut résumer les mécanismes de la pollution photochimique (sous l action des rayonnements ultraviolets) à : 1) NO 2 NO + O 2) O + O 2 O 3 3) NO + O 3 NO 2 + O 2 Ces réactions sont réversibles : La nuit, l ozone, généré à la lumière du jour, disparaît. Mais la présence d hydrocarbures dans l air génère des radicaux péroxy R-O-O, qui réagissent avec NO selon : 4) NO + R-O-O NO 2 + RO La réaction (4) est beaucoup plus rapide que la réaction (3) qui consomme de l ozone. La concentration en ozone augmente donc en présence d hydrocarbures ; c est pourquoi les pots catalytiques ont pour mission d empêcher l émission de NOx et d hydrocarbures non brûlés.» Document 13 : Pollution et ozone 186 La pollution atmosphérique
Document 14 Les oxydes d azote et l ozone sont les polluants majeurs des smogs photochimiques qui planent sur les grandes villes certains jours d été sans vent (à Paris, dans le cas présent). 15. Qu est-ce que la stratosphère et la troposphère? 16. Où et quand a-t-on observé «un trou» dans la couche d ozone? Que signifie cette expression? 17. Quel est le rôle supposé des C.F.C. dans la formation de ce «trou»? 18. Qu est-ce qu un C.F.C.? Ecrivez la formule semi-développée d un C.F.C. (quelconque) dérivé de l éthane. 19. Quelles sont les utilisations des C.F.C.? 20. Qu est-ce que la pollution photochimique? 21. Pourquoi les hydrocarbures ont-ils une influence sur la pollution photochimique? 22. Dans la lutte contre la pollution photochimique, vaut-il mieux, à votre avis, diminuer les rejets d oxydes d azote, ou ceux d hydrocarbures? 23. Pourquoi les villes ensoleillées sont-elles les plus exposées à la pollution par l ozone? «Aujourd hui la limitation des rejets de dioxyde de soufre se poursuit grâce à trois mesures : Limitation à 0,3 % du pourcentage massique en soufre dans les fiouls domestiques et les gazoles ; Remplacement des centrales thermiques au charbon par des centrales thermiques au fioul ou par des centrales nucléaires ; Désulfuration des fumées industrielles. Par ailleurs, une surveillance en continu dans les zones à risques (industrielles et urbaines) permet de déclencher des mesures particulières de réduction des rejets, lorsque l absence de vent empêche la dispersion naturelle des polluants. Des réseaux de stations de mesures déterminent donc, tous les quarts d heure, à l aide de méthodes spectrophotométriques, les concentrations des principaux polluants atmosphériques. Le problème du «trou dans la couche d ozone stratosphérique» n apparut nettement qu à la fin des années 70. 187 La pollution atmosphérique
Le rôle des C.F.C. dans ce phénomène fut rapidement reconnu et leur production cessa très vite de croître. Cependant, il fallut attendre septembre 1987 pour que le protocole de Montréal fixe un programme de réduction progressive de la production des C.F.C., visant à atteindre en 1999 une production inférieure à 50 % de ce qu elle était en 1986. De plus, des réseaux de récupération des C.F.C. des appareils frigorifiques ont été organisés. Autres remèdes Le développement lent, mais continu, des productions d énergie douce (solaire, éolienne, géothermique, ), le développement des transports en commun urbains, l utilisation de carburants sans plomb permettant l emploi de pots catalytiques, l installation de systèmes pour dépoussiérer et dénitrifier les fumées industrielles ou pour neutraliser l acidité des fumées des usines d incinération des ordures ménagères visent à réduire les principales pollutions aériennes. Ces mesures sont efficaces, mais coûteuses ; aussi, ne sont-elles mises en œuvre que dans les pays riches, qui sont d ailleurs les principaux pollueurs.» Document 15 : L atmosphère malade de la pollution : quels remèdes? Document 16 : Entonnoirs de prélèvement d air pour la mesure de sa pollution 24. Comment lutte-t-on contre le polluant SO 2? 25. Quelles mesures sont prises pour réduire le «trou d ozone»? 26. Renseignez-vous sur les contrôles antipollution dans votre région, auprès des organismes officiels. La pollution automobile et les moyens de sa réduction «Pour améliorer l indice d octane d un carburant on peut soit augmenter sa proportion d alcanes ramifiés, ce qui suppose des opérations de reformage généralement coûteuses, soit incorporer au carburant des corps antidétonants tels que le tétraéthylplomb, Pb(C 2 H 5 ) 4, ou le tétraméthylplomb, Pb(CH 3 ) 4, qui retardent l explosion du mélange. Cette dernière solution, relativement économique, est aujourd hui encore très répandue, bien que présentant de graves inconvénients pour l environnement. 188 La pollution atmosphérique
Les gaz rejetés dans l atmosphère par les tuyaux d échappement contiennent, en effet, l élément plomb ; pour l ensemble de la Terre, ces rejets représentent environ 230 000 tonnes de plomb par an, dont près de 75% restent en suspension dans l atmosphère. Le plomb étant un métal très toxique (l intoxication au plomb porte le nom de saturnisme), l utilisation d essence «plombée», en milieu urbain particulièrement, est de plus en plus contestée. L analyse des gaz d échappement montre que ceux-ci sont essentiellement constitués de vapeur d eau et de dioxyde de carbone, mais qu ils contiennent aussi du monoxyde de carbone CO, des oxydes d azote notés NO x (essentiellement NO et NO 2 ) et des hydrocarbures (abréviation utilisée dans l industrie : HC) non brûlés lors de l explosion. Ces trois «produits», CO, NO x et HC, contribuent très fortement à la pollution atmosphérique ; aussi leur élimination à la sortie du moteur est-elle souhaitable. Le système le plus efficace aujourd hui est le pot d échappement à trois voies, encore appelé pot catalytique (document 18).» Document 17 : Du plomb dans l essence Document 18 : Pot catalytique Son fonctionnement : Le catalyseur épure les gaz d échappement de trois produits polluants : le monoxyde de carbone, les hydrocarbures imbrûlés (HC), les oxydes d azote (NOx). Un catalyseur trois voies réalise à la fois une oxydation du monoxyde de carbone et des hydrocarbures et une réduction des oxydes d azote. Chacune de ces réactions nécessite un agent catalyseur. La réduction est favorisée par le rhodium et l oxydation par le platine et le palladium. Ces métaux précieux tapissent des milliards de micro-alvéoles contenues dans le silencieux du pot d échappement et dont la surface totale peut atteindre 4 500 m² (voir croquis ci-dessus). Pour fonctionner, cet équipement nécessite un dosage très précis du mélange air / essence : 14,7 g d air pour 1 g d essence. Pour le respecter il faut avoir recours à une injection électronique sophistiquée réglée en permanence par des sondes Lambda qui analysent continuellement les gaz. Plusieurs critiques sont généralement faites aux pots catalytiques : «Il a besoin pour fonctionner de parvenir à une température élevée (300 C), il est donc inefficace dans les premiers kilomètres. La plupart des trajets urbains étant très courts, son utilité est sensiblement amoindrie en ville. Il est très fragile (quelques ratés de carburation suffisent à le détruire), des études effectuées aux Etats Unis ont montré que la moitié des catalyseurs étaient hors d usage en moins de trente mille kilomètres. 189 La pollution atmosphérique
Il nécessite l usage de l essence sans plomb. Ce carburant, bien qu il soit présenté comme écologique, contient, pour remplacer le plomb, des composés aromatiques (comme le benzène) considérés comme fortement cancérogènes. De plus, il paraît surprenant d avoir préféré cette solution à une réglementation visant à limiter la consommation des véhicules, ce qui aurait conduit à une diminution proportionnelle de l ensemble des pollutions liées aux moteurs thermiques (en particulier le dioxyde de carbone, générateur de l effet de serre).» Document 18 : L efficacité du pot catalytique, une fiabilité discutable (Eric Léonard, Technica n 478, septembre 92, La revue des Ingénieurs de Centrale (Lyon)) 27. Quels antidétonants sont actuellement utilisés pour améliorer l indice d octane et quels graves inconvénients présentent-ils pour l environnement? 28. Comment modifie-t-on la composition des essences sans plomb pour obtenir des qualités anti-détonantes identiques aux essences avec plomb? 29. Quels sont les constituants des gaz d échappement qui polluent l atmosphère? 30. Quels sont les métaux utilisés comme catalyseurs dans les pots catalytiques? 31. Quels sont les polluants sur lesquels agit le pot catalytique? 32. Quelles sont les principales critiques faites au pot catalytique? 190 La pollution atmosphérique