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2011 Formation en météorologie We're conducting a vast toxicological experiment and we are using our children as experimental animals. -Philip Landrigan,

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1 2011 Formation en météorologie We're conducting a vast toxicological experiment and we are using our children as experimental animals. -Philip Landrigan, MD quoted in Trade Secrets: A Moyers Report -Philip Landrigan, MD quoted in Trade Secrets: A Moyers Report Trade Secrets: A Moyers ReportTrade Secrets: A Moyers Report

2 Conséquences de la pollution atmosphérique 2 Les changements climatiques Les changements climatiques La destruction de la couche dozone La destruction de la couche dozone Le smog Le smog Les pluies acides Les pluies acides tours.fr/eva/spip.php?article98/

3 La destruction de lozone stratosphérique 3 Définitions Ozone Ozone DU = Dobson units DU = Dobson units

4 Lozone stratosphérique 4 Qu'est-ce que l'ozone et comment se forme-t-il? L'ozone (O 3 : 3 atomes d'oxygène) est naturellement présent dans l'atmosphère. Max de concentration se situe entre 20 et 40 km (stratosphère) : 8 molécules dozone par million de molécules dair. Variation latitudinal de la concentration de O 3.

5 Unité de mesure : Le Dobson (DU) 5 Si la totalité de l'ozone comprise dans cette colonne d'air était ramenée à la température et à la pression de l'atmosphère standard (0°C et 1 atmosphère) et répartie uniformément sur la section au sol de la colonne, on obtiendrait alors une couche d'environ 3 mm d'épaisseur. 1 unité Dobson (notée DU pour Dobson Unit en anglais) est définie comme une couche de 0.01 mm d'épaisseur à la température et la pression de l'atmosphère standard. Donc, la colonne d'ozone au-dessus du Labrador est de 300 DU.

6 Lozone stratosphérique 6 O 2 + hv ->O + O(1) O + O 2 ->O3O3 (2) L'ozone forme une couche dans la stratosphère, d'épaisseur minimale aux tropiques (à proximité de l'équateur) et plus dense au fur et à mesure que l'on s'éloigne vers les pôles. La quantité totale d'ozone au-dessus d'un point de la surface terrestre est mesurée en unités Dobson (DU pour Dobson Units en anglais) - en moyenne ~260 DU près des tropiques et plus forte partout ailleurs, avec d'importantes variations saisonnières. L'ozone est créé lorsque le rayonnement ultra-violet (lumière solaire) pénètre la stratosphère, dissociant une petite partie de l'oxygène moléculaire (O 2 ) en atomes d'oxygène (O). O 2 + photon O + O (1) O 2 + photon O + O (1) L'oxygène atomique se recombine alors très rapidement avec l'oxygène moléculaire pour former de l'ozone: O 2 + O O 3 (2) O 2 + O O 3 (2)

7 Lozone stratosphérique 7 O 2 + hv ->O + O(1) O + O 2 ->O3O3 (2) Au-dessus de nous, dans la stratosphère, lozone absorbe une partie du rayonnement ultra-violet (UV) d'origine solaire (entre les longueurs d'onde 240 et 320 nm), nuisible à la santé car pouvant être entre autres, source de cancer de la peau et de dommages sur la végétation. Bien que le rayonnement UV décompose la molécule d'ozone, l'ozone peut se reformer au moyen des réactions chimiques suivantes, qui ne se traduisent pas par une perte nette d'ozone : O 3 + photon O 2 + O (3) O 3 + photon O 2 + O (3) O 3 + O O 2 + O 2 (4) O 3 + O O 2 + O 2 (4) L'oxygène atomique se recombine alors très rapidement avec l'oxygène moléculaire pour former de l'ozone: O 2 + O O 3 (2) O 2 + O O 3 (2)

8 8 Le cycle de Chapman

9 Les molécules de O 2 se dissocient par absorption dun photon de longueur donde = 240 nm. Les molécules de O 2 se dissocient par absorption dun photon de longueur donde = 240 nm. Les molécules de dioxygène sunissent à loxygène monoatomique pour former des molécules dozone. Les molécules de dioxygène sunissent à loxygène monoatomique pour former des molécules dozone. Le O 3 absorbe un photon de longueur donde < à 300 nm et se dissocie en une molécule de dioxygène et un atome doxygène : taux de formation du O 3 = taux de destruction du O 3. Le O 3 absorbe un photon de longueur donde < à 300 nm et se dissocie en une molécule de dioxygène et un atome doxygène : taux de formation du O 3 = taux de destruction du O 3. Lozone se combine avec un atome doxygène pour former deux atomes de dioxygène. Lozone se combine avec un atome doxygène pour former deux atomes de dioxygène. Une molécule de O 3 a une durée de vie de 100 à 200 secondes avant sa dissociation. Une molécule de O 3 a une durée de vie de 100 à 200 secondes avant sa dissociation. Malgré la faible concentration dozone dans la stratosphère sa présence est suffisante pour filtrer (absorber) le rayonnement solaire dans lintervalle de longueurs donde nm. Malgré la faible concentration dozone dans la stratosphère sa présence est suffisante pour filtrer (absorber) le rayonnement solaire dans lintervalle de longueurs donde nm. 9 Le cycle de Chapman

10 Perturbation anthropogénique du cycle de Chapman 10 Canada

11 La destruction de lozone par les CFCs 11

12 Réactions de destruction de lozone 12 2HCl + 2ClONO 2 2HNO 3 + 2Cl 2 ClONO 2 + H 2 O HNO 3 + HOCl HCl + HOCl H 2 O + Cl 2 N 2 O 5 + HCl HNO 3 + ClONO N 2 O 5 + H 2 O 2 HNO 3 Cl 2 + photon 2 Cl

13 Nuages Noctilucents 13 Quand la température de la stratosphère tombe au-dessous de -88°C, il se forment des minces nuages constitués dun mélange de glace, acide nitrique et acide sulfurique. Ces nuages stratosphériques (PSPs) libèrent, au printemps du clore. Photo de la NASA. La beauté toxique

14 Le vortex polaire 14

15 Hémisphère nord : on nest pas à labri Helen Chadwick "Pour la première fois, la diminution a été suffisante pour qu'on puisse raisonnablement parler de trou dans la couche d'ozone en Arctique", estime l'étude publiée dans la revue scientifique britannique Nature. «Les problèmes du monde ne peuvent être résolus par des sceptiques ou des cyniques dont les horizons se limitent aux réalités évidentes. Nous avons besoin d'Hommes capables d'imaginer ce qui n'a jamais existé.» JFKennedy

16 Smog 16 Le smog est une brume jaunâtre, provenant d'un mélange de polluants atmosphériques qui limite la visibilité dans latmosphère. Il est constitué surtout de particules fines et d'ozone. Il peut se former à toute période de lannée. Lété, il est en grande partie constitué dozone et de particules fines, alors que lhiver ce sont surtout ces dernières qui le caractérisent. Journée de smog hivernal où on observe que les polluants sont piégés près du sol. 2 février :00 – vue vers lest (29 e étage de lédifice Marie-Guyart à Québec)

17 Qualité dair 17 La qualité de l'air dépend des émissions même si il n'y a pas de lien simple et direct entre les deux. En effet, la qualité de l'air résulte d'un équilibre complexe entre la quantité de polluants rejetée dans l'air et toute une série de phénomènes auxquels ces polluants vont être soumis une fois dans l'atmosphère sous l'action de la météorologie : transport, dispersion sous l'action du vent et de la pluie, dépôt ou réactions chimiques des polluants entre eux ou sous l'action des rayons du soleil. Ainsi à partir d'émissions de polluants équivalentes en lieu et en intensité, les niveaux de polluants dans l'environnement peuvent varier d'un facteur cinq suivant les conditions météorologiques plus ou moins favorables à la dispersion, ou au contraire à la concentration de ces polluants. La connaissance de ces émissions est donc primordiale pour la surveillance de la qualité de l'air.

18 18 Les émissions de polluants correspondent aux quantités de polluants directement rejetées dans l'atmosphère par les activités humaines (cheminées d'usine ou de logements, pots d'échappement, agriculture…) ou par des sources naturelles (volcans, ou composés émis par la végétation et les sols) exprimées par exemple en kilogrammes ou tonnes par an ou par heure. Les concentrations de polluants caractérisent la qualité de l'air que l'on respire, et qui s'expriment le plus souvent en microgrammes par mètre cube (µg/m³) ou particules par million (ppm).

19 Conditions météorologiques et impact de la pollution 19 En hiver, lair peut devenir chargé des produits de la combustion incomplète comme les matières particulaires, les composés organiques volatils (COV), le monoxyde de carbone(CO) et les oxydes d'azote (NO x ). Limportance du smog hivernal qui en résulte dépend du degré de dispersion atmosphérique. Plus le niveau de dispersion atmosphérique est faible, plus le niveau de smog hivernal est élevé. La dispersion atmosphérique est principalement déterminée par la vitesse du vent et la hauteur de mélange.

20 La topographie 20 La topographie joue également un rôle important dans la concentration des polluants. Par exemple, les « murs » physiques dune vallée limitent les mouvements de lair à lintérieur de la vallée. De hauts niveaux de polluants dans lair ne pourront pas être suffisamment dispersés et les communautés habitant dans la vallée seront recouvertes de smog. Une communauté située sur une plaine ne connaîtra pas ce problème de dispersion. Le smog apparaît aussi dans les régions vallonnées où lair froid peut être retenu dans les nombreuses poches du terrain et entraîner une inversion de température. (Image: Alaskan wildfires, 2004; NASA's Terra, Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer; Jacques Descloitres, NASA Goddard)

21 La topographie 21 Visible satellite image at 1:45 pm PDT Wednesday October 24, showing a huge area of smoke over the Pacific Ocean. Some of this smoke is being blown northward (top of image), and is expected to move over northern California and northern Nevada over next two days. This northward-moving smoke is being lifted by the flow around an approaching low pressure system, and is not expected to affect air quality near the surface. However, the smoke just offshore San Diego and Los Angeles will remain near the surface, and some of it will be pushed back over land by afternoon sea breezes. Image credit: NASA. NASA.

22 La topographie 22

23 Été : smog photochimique 23 Dans le cas de l'ozone, il s'agit plutôt d'une réaction impliquant les rayons solaires

24 Processus simplifié de formation de lozone 24 Les précurseurs sont parfois transportés par les masses dair sur plusieurs centaines de kilomètres. Les concentrations dozone les plus importantes ne sont pas nécessairement mesurées sur le lieu principal démission des polluants précurseurs (centre des agglomérations, zones industrielles), mais parfois à 50, voire jusquà 150 km de là, dans des zones rurales sous le vent des émetteurs. Des polluants précurseurs émis plusieurs heures, voire plusieurs jours auparavant, peuvent contribuer de manière significative à la formation dozone ; Durant la canicule, les températures élevées et le fort ensoleillement contribuent à une formation importante dozone.

25 de sa température. Les effluents gazeux possèdent souvent une température nettement supérieure à la température ambiante. Cette énergie thermique entraîne une surélévation variable du panache, excepté dans le cas où la densité de leffluent est nettement plus élevée que celle de lair environnant de sa température. Les effluents gazeux possèdent souvent une température nettement supérieure à la température ambiante. Cette énergie thermique entraîne une surélévation variable du panache, excepté dans le cas où la densité de leffluent est nettement plus élevée que celle de lair environnant de sa vitesse déjection Vs qui peut atteindre 10 m/s ; de sa vitesse déjection Vs qui peut atteindre 10 m/s ; 25 Évolution des panaches de pollution 1 ère phase : Le panache de fumées sélève et sa trajectoire dépend essentiellement : de la vitesse u et de la direction du vent au voisinage du débouché de la cheminée : plus le rapport Vs/u est grand, plus la surélévation est importante. de la vitesse u et de la direction du vent au voisinage du débouché de la cheminée : plus le rapport Vs/u est grand, plus la surélévation est importante.

26 La turbulence a principalement deux origines : La turbulence a principalement deux origines : une origine dynamique due au relief et aux obstacles à la surface du sol et aux cisaillements du vent une origine dynamique due au relief et aux obstacles à la surface du sol et aux cisaillements du vent une origine thermique due à la variation de la température de lair avec laltitude (structure thermique verticale). une origine thermique due à la variation de la température de lair avec laltitude (structure thermique verticale). 26 Évolution des panaches de pollution 2 e phase: Elle débute lorsque le panache acquiert une densité sensiblement égale à celle de lair ambiant : devenu horizontal, il na plus de mouvement propre et sa diffusion dépend des conditions météorologiques et de la turbulence atmosphérique.

27 Évolution des panaches de pollution 27 3 e phase Elle concerne la diffusion du panache à léchelle régionale (distances de lordre de 20 à 400 kilomètres en aval de la source). Progressivement, les polluants tendent à se répartir uniformément à lintérieur dun volume datmosphère appelé couche de mélange. Le panache perd alors ses paramètres démission. 4 e phase Les polluants se déplacent alors sur de longues distances, à plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de kilomètres des points démission.

28 28 Dispersion des polluants Dispersion = advection + diffusion (transport) (dilution) (transport) (dilution) Vitesse du vent Stabilité + turbulence Stable Instable Stable Stable Neutre Instable

29 29 Dispersion des polluants Stable Lochcarron, Scotland Source : Wikipédia

30 Ils résultent : Ils résultent : de la circulation des masses dair pollué qui entraîne une incorporation progressive des polluants dans les gouttelettes deau des nuages ; de la circulation des masses dair pollué qui entraîne une incorporation progressive des polluants dans les gouttelettes deau des nuages ; des polluants présents sous forme de fines particules dans lair, qui peuvent servir de noyaux autour desquels se condense la vapeur deau atmosphérique ; des polluants présents sous forme de fines particules dans lair, qui peuvent servir de noyaux autour desquels se condense la vapeur deau atmosphérique ; des polluants qui sont entraînés vers le sol par lessivage de latmosphère au cours des précipitations. des polluants qui sont entraînés vers le sol par lessivage de latmosphère au cours des précipitations. 30 Mécanismes de dépollution Ils interviennent dans les deux dernières phases et correspondent à des transformations physico-chimiques, des dépôts humides et des dépôts secs. Les dépôts humides englobent lensemble des retombées des polluants gazeux ou particulaires incorporés au sein des précipitations (pluie, neige, brouillard, etc.).

31 La dispersion des polluants selon leur taille 31

32 32 Les pluies acides

33 Les pluies acides peuvent être produites Les pluies acides peuvent être produites par la nature, les NOx (volcans, foudre) par la nature, les NOx (volcans, foudre) et amplifiées par l'activité humaine (chauffage, transport : NOx; industrie : SO 2,…). et amplifiées par l'activité humaine (chauffage, transport : NOx; industrie : SO 2,…). 33 Définition On définit couramment le terme «pluies acides», comme étant toutes formes de précipitations ayant un pH inférieur à 5,2, (pluie, smog, etc.) qui dégradent ou même détruisent des écosystèmes.

34 Pluies acides : PH < 5,2 34SCA-2611 Introduction à la météorologie

35 Définition 35 On définit couramment le terme «pluies acides» comme étant toutes formes de précipitations (pluie, smog, etc.) qui dégradent ou même détruisent des écosystèmes. Ces précipitations peuvent même dégrader certaines structures comme les vieux et fragiles bâtiments. Les pluies acides peuvent être produites par simplement par la nature ou amplifiées par l'activité humaine. En effet, les sources dites naturelles ou semi-naturelles sont les émissions volcaniques, le NOx (NO2 ou NO3) produit par la foudre, tandis que les sources anthropiques (produites par lhumain) sont les industries, le chauffage, les transports, etc. Ces sources anthropiques produisent deux polluants: le dioxyde de soufre (SO 2 ), issu de la fusion des minerais, de l'exploitation de centrales et du traitement du gaz nature; ainsi que de loxyde dazote (NOx) produit par la combustion des comburants par automobiles, les moteurs et chaudières industrielles et l'alimentation des centrales électriques.

36 La formation et le dépôt des pluies acides 36

37 Définition 37

38 Pluies acides 38

39 Le problème en Amérique du Nord 39 Principales sources de SO2 au Canada : Fonderies Fonderies Centrales au charbon. Principales sources de NOx au Canada Les véhicules automobiles Les centrales au charbon Estimation : 50% des pluies acides au Canada proviennent des États- Unis et 10 % des dépôts dans le nord-est des États-Unis ont leur origine au Canada.


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