Pollution physique, chimique, organique et biologique V. Michotey

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1 Pollution physique, chimique, organique et biologique V. Michotey

2 A-L’environnement : Équilibre écologique
I- Introduction A-L’environnement : Équilibre écologique   L’environnement correspond au milieu dans lequel les êtres vivants se développent  L’écologie , sciences des écosystèmes, étudie le rapport des êtres vivants entre eux et avec leur milieu  L’écosystème est un système fonctionnel qui comprend une communauté d’êtres vivants et l’environnement qui lui est associé E ex: un étang, un champ, la mer Méditerranée…

3 On peut diviser l’environnement en deux parties :
-  l’environnement abiotique , physique et chimique qui inclut le matériel non vivant -  L’environnement biotique qui comprend l’ensemble des êtres vivants de l’écosystème considéré

4 Environnement biotique/abiotique
Environnement Biotique= biocénose: -Végétaux - Animaux -Procaryote Environnement abiotique=biotope Eau Rocher Air sable

5 B-La circulation des différents éléments dans l ‘écosystème
Dans un écosystème, les acteurs sont liés entre eux par un certains nombres de relations qui régissent l’équilibre de l’ensemble -Les éléments chimiques transitent dans les différents compartiments en passant par des états successifs cycles

6 Il y a des transferts de matière à intérieur d’un écosystème
-Circulation dans les différentes compartiments (eau, sol, atmosphère) et sous différentes formes physiques (liquide, solide, gazeux) Exemple: cycle de l’eau présence de l’élément sous différentes formes chimiques: cycles biogéochimiques Suivant la forme chimique, propriétés différentes et impact différent sur écosystème ex: Oxygène sous forme O2 ou H2O

7 Exemple de cycle : le cycle du carbone
Carbone minéral Gazeux, soluble, insoluble (solide) CO2, HCO3- Dioxyde de carbone, carbonate Carbone organique Cx(HyO)z Fixation et réduction du carbone minéral Photosynthèse bactéries autotrophes pour C Oxydation du carbone organique Respiration Fermentation Combustion Matière organique: molécule contenant C et H, sauf carbonate

8 Autre exemple de cycle Cycle de l’azote

9 Détail des transformations biologiques des molécules azotées
Azote minéral N2 Azote: gaz inerte assimilable par très peu de bactéries Azote organique Protéine ADN Assimilable par animaux et bactéries NH+4 Ammonium soluble, assimilable par plantes et bactéries N2O Oxyde nitreux: gaz à effet de serre NO-3 NO-2 NO Oxyde nitrique: gaz toxique, Nitrite, soluble et très toxique, assimilable par certaines plantes et bactéries Nitrate, soluble peu toxique assimilable par certaines plantes et bactéries Détail des transformations biologiques des molécules azotées

10 Éléments importants: éléments constitutifs des êtres vivants: Carbone
Quels sont les éléments/ molécules important(e)s pour fonctionnement des cycles biogéochimiques? Éléments importants: éléments constitutifs des êtres vivants: Carbone Azote Phosphore Oxygène Présence sous des formes assimilables ou non assimilables Éléments/ molécules toxiques métaux lourds molécules minérales ou organiques toxiques

11 Il existe des relations entre les cycles biogéochimiques: exemple cycles de C et O
CO2, HCO3- Carbone minéral Carbone organique Cx(HyO)z Photosynthèse, Fixation et réduction du carbone minéral Respiration Fermentation Combustion Oxydation du carbone organique Cycle du carbone Production d’O2 Consommation d’O2 O2 H2O Cycle de l’oxygène

12 Donc dans ce cas, si décomposition de matière organique, consommation importante d’oxygène
Carbone minéral CO2, HCO3- Respiration Fermentation Combustion Oxydation du carbone organique Cycle du carbone Carbone organique Cx(HyO)z Cycle de l’oxygène Respiration Combustion Consommation d’O2 O2

13 C-Impact biotope sur biocénose:Aire de répartition d’une espèce
Définition des facteurs écologiques densité Variation du facteur considéré

14 Les facteurs écologiques : Un facteur écologique est un élément du milieu susceptible d’agir directement sur les êtres vivants au moins durant une phase de leur développement (larvaire, juvénile, adulte..) Exemple: T, lumière, [O2], [élément nutritif]… Impact sur:        -répartition géographique d’une espèce          -sur la densité (taux natalité , mortalité)          - l’occurrence de l ‘apparition de modifications adaptatives  Pour chaque être vivant, limite de tolérance pour chaque facteur écologique Pour une population , le facteur dont l’intensité est la plus proche des limites de tolérance (mini ou maxi) est appelé facteur limitant Les interactions entre deux facteurs peuvent modifier les limites de tolérance (poussières +SO2)

15 D-Impact biocénose sur biotope
Biocénose: être vivants, principaux acteurs des cycles biogéochimiques Exemple: photosynthèse: accumulation O2 dans atmosphère Remarque:Ce ne sont pas les plus gros qui sont les plus importants!!!!! Êtres unicellulaires (bactéries, phytoplancton) très importants pour équilibre écologique Spirogyre (algue verte)

16 Dans un écosystème il doit avoir un certain équilibre entre les relations qui existent entre les différents acteurs et facteurs,   Équilibre du recyclage de tous les éléments maintient sur Terre l’équilibre écologique, -Équilibre fragile -Production humaines peuvent perturber le fonctionnement des cycles et engendrer une pollution parfois perturbation si les déchets perturbent le fonctionnement de l’écosystème passé un certain seuil, il y a perturbation permanente du milieu qui devient hostile à ses habitants naturels  pollution -

17 E- Définition de la pollution
La pollution: C’est l’introduction dans les milieux de trop grandes quantités d’agents physique,chimiques ou biologiques entraînant une altération de l’environnement, de nature à mettre en danger la santé humaine, à endommager les ressources alimentaires, biologiques et les écosystèmes, ou encore à détériorer les biens matériels.

18 -pollutions naturelles (ex:volcans , crues …..)
Différents types de pollutions: -pollutions naturelles (ex:volcans , crues …..) Etna : poussière--- baisse photosynthèse, impact climat 3740 tonnes de SO2 /jour---pluie acide  (contient acide sulfurique) - pollutions dues à l’homme(anthropique) Exemples:Modification des caractéristiques physique du milieu ex:-température eau rivière(centrale thermique) ,

19 La pollution peut être aïgue ou chronique
-pollutions accidentelles , aïgue, ponctuelle (Erika, cyanure dans le Danube…) -pollutions chroniques rejet permanent de faibles doses de pollutions          -ports, hydrocarbures (mortalités larves)        -émissaires urbains (métaux lourds, détergents .. ) -chlore dans les ordures ménagères  pluies acides, destruction de la couche d’ozone

20 Les impacts de la pollution aiguë ou chronique
Pollution chronique plus dangereuse que pollution aigue car -effet plus difficilement identifiable - faible pollution /grand volume plus difficile à traiter que forte pollution / petit volume

21 pollution aiguë et chronique
Intensité paramètre mesuré Seuil mortel (50% pop) Seuil effet chronique temps

22 Type de pollution Pollution due à la réduction de l’espace vital (construction de bâtiment, usines, routes, espace de loisir..) Pollution d’origine physique (thermique, introduction douce/eau salée, sonore, rayonnement) Pollution provoquée par des substances (minérales, organique et organisme) dans l’air, l’eau,le sol

23 II-pollution due à la réduction de l’espace vital
L’artificialisation s’étend sur tout le territoire Les bâtiments, jardins et pelouses, routes et parkings…s’étendent sur près de 8% du sol métropolitain. Entre augmentation de 12% des espaces bâtis 10% des routes et parkings 17% des sols artificiels non bâtis (jardins, pelouses, …)

24 Croissance des surfaces artificielles dans pratiquement tous
les départements

25 Impact de la réduction de l’espace vital
Stérilisation des sols Déclin des espèces sauvages Entrave aux déplacements espèces Artificialisation du sol: perturbation écoulement eau pluie, infiltration dans sol

26 III-pollution physique
III-1 pollution thermique -Les organismes aquatiques sont plus sensibles aux changements brusques de T que organismes terrestres -Les rejets thermiques dans le milieu aquatique ne sont pas des phénomènes nouveaux -Pollution invisible et diffuse -1960 prise de conscience du phénomène de pollution thermique

27 Pollution thermique: augmentation de la température
L’eau est utilisée depuis des milliers d’années pour le refroidissement dans certains processus manufacturiers qui produisent des volumes importants de rejets thermiques:          -Les aciéries          -Les industries de pâtes et papier          -Les industries chimiques et pétrolières Mais aujourd'hui producteurs d’électricité considérés comme la principale source de pollution thermique

28 Production d’électricité
La fission des atomes d'uranium engendre de la chaleur Grâce à cette chaleur, on fait chauffer de l'eau L'eau chauffée permet d'obtenir de la vapeur La pression de cette vapeur fait tourner une turbine La turbine entraîne un alternateur qui produit de l'électricité La combustion de pétrole engendre de la chaleur

29 Centrale thermique classique Centrale nucléaire
La chaleur perdue lors de la production est en grande partie rejetée directement dans les eaux de surface sous forme de courant d’eau pouvant aller de 1 à 15°C plus chaud que le milieu ambiant

30 Centrales nucléaires Localisation : en bord de mer ou de fleuve

31 Une centrale de 1000 Mw utilise et rejette plusieurs dizaines de m3 d'eau par seconde dont la température se trouve élevée de 7 à 8 °C. La centrale nucléaire de Gravelines produit un échauffement sensible des eaux du littoral au delà de l'embouchure de l'Aa auquel s'ajoute l’action de la chloration induisant la formation de composés organo-chlorés toxiques

32 Impact de l’augmentation de la Température
La température modifie : -la densité et la viscosité -La tension de vapeur et donc l’évaporation (T , évaporation , ) -La solubilité des gaz (T , solubilité des gaz , impact sur organismes) -Les vitesses des réactions chimiques (réaction chimique abiotique plus rapide quand T , si enzyme, nécessité d’une température optimale, impact sur organismes) -  de la respiration des organismes et donc  de la concentration en oxygène dissout -  la sensibilité des organismes aux substances toxiques -  l'effet toxique des substances chimiques

33 Les conditions de prélèvements d'eau froide et de rejets d'eau chaude sont inscrites dans des limites très étroites par des arrêtés qui fixent: -les températures maximales du fleuve après dilution du rejet, -les valeurs maximales de réchauffement (1 à 3° C) -le débit fluvial en dessous duquel des mesures particulières doivent être prises

34 Utilisation des sources d’eau chaudes
Centrale nucléaire de Graveline: L’eau chaude a permis de créer à proximité, une ferme aquacole qui élève des barres et des dorades royales. A Pierrelatte, on se sert de l'eau chaude de la centrale nucléaire pour élever des reptiles

35 II-2 introduction eau douce/eau salée
Salinité correspond à la teneur en sels dissous d’une eau Dépend de la résistance que l’eau oppose au passage d’un courant électrique . elle s’exprime en terme de résistivité (W.cm) (ohm-centimètre) Modification salinité -Modification densités milieux aqueux sald  -Modification solubilité des gaz sal  sol  -Modification des communautés animales, végétales, microbiennes

36 Le mélange eau douce/eau salée
Eau saumâtre Eau douce

37 Etang de Berre

38 Le mélange eau douce/eau salée

39 -salinité (étang de Berre 3 fois son volume par an
-salinité (étang de Berre 3 fois son volume par an maintenant limité à m3/an ), -sédiment (étang de Berre) (2g/l à jouques) Etang de Berre Eau douce, en surface Eau salée , au fond

40 Pas échanges gazeux entre les deux phases
-Anoxie au fond -Volume de rejet variable: stress osmotique

41 III-3 Pollution sonore Le bruit Tout son qui dérange est un bruit
définition : un phénomène acoustique produisant une sensation considérée comme désagréable ou gênante Définition : le son est une vibration acoustique capable d’éveiller une sensation auditive.

42 Tout son est dû à une variation de la pression régnant
dans l’atmosphère engendrée par une source sonore. Cette variation de pression est appelée pression acoustique p. Les molécules d’air agitées vont et viennent autour d’une position moyenne un certain nombre de fois par seconde : Ce nombre est la fréquence (Hertz, Hz)

43 Bien qu’inaudibles, les infrasons et les ultrasons peuvent présenter
des risques 20Hz< bande fréquence>20 000Hz

44 La puissance acoustique :
rayonnée par une source, elle s’exprime en watt L’intensité acoustique I : perçue en un point , elle correspond à un flux de puissance par unité de surface , elle s’exprime en W/m2 Dans l’air, relation entre l’intensité (I) la pression (p) et la puissance acoustique (W) I=p2/rC= W/4pd2 r est la masse volumique de l’air, C la célérité du son dans l’air Le niveau sonore L Il correspond à une sensation de volume sonore en un point donné. L= 10log(I/I0)= 10log(p/p0)2 = 20log(p/p0) I0 est l’intensité de référence (10-12 W/m2) , le seuil de perception auditive à 1000Hz P0 = Pa (pression de référence)

45 puissance acoustique /Échelle décibel
120dB 109. I0 90dB 106. I0 60 dB 103. I0 30dB I0 0 dB Échelle de mesure Physique (W/m2) Échelle de décibels (intensité perçue par l’oreille)

46 Les caractéristiques liées à la perception humaine du bruit
La perception auditive est fonction de l’intensité sonore et de la fréquence grande sensibilité entre 1000 et 2000 Hz conversation 1000 et 4000Hz dB(A) mesure de d’intensité auditive perçue réellement par l’oreille (filtre )

47 classement qualitatifs des niveaux de pression acoustique :
·        Zone 1 : Lp> dB : action mortelle (déchirement alvéoles pulmonaires) ·        Zone 2 : 155> Lp>140 dB : troubles psychologiques appréciables, fatigue supportable par personne en bonne condition physique (maxi 2 minutes) ·        Zone 3 : 140> Lp> 120 :troubles psychologiques passagers appréciables, fatigue supportable par personne en bonne condition physique (quelques heures) Zone 4 : 120< Lp : action non nuisible pour une exposition de courte durée (qlq min), action psychologique inconnue pour exposition de longue durée

48 Les effets auditifs ·       La fatigue auditive : phénomène réversible C’est une diminution temporaire de l’acuité auditive La fatigue auditive surtout pour fréquences Hz (maxi 4000Hz , aigus) ·       La surdité : phénomène irréversible (le trou s’installe d’abord vers les fréquences aiguës puis s’étend) < 80dB(A) aucun risque de surdité >90dB(A) quotidiennement ou crêtes de 140dB(A) danger atteinte auditive

49 Le bruit et l’environnement: émission de bruit réglementée
-Réglementé depuis 1976 pour les installations classées -Décret du 20 août 1985 relatif aux bruits aériens émis par les installations classées -Arrêté du 1er mars 1993 (réglementation plus exigeante) Réglementation niveau sonore (dBa)-   nuisance sonore si ·       les niveaux sonores limites sont dépassés (zone de voisinage, heures) si l’émergence est supérieur aux valeurs citées dans l’arrêté du 1er mars 1993 (3 ou 5 dBa suivant heures de la journée)

50 Limites sonores dB(a) en fonction de la zone et de la période

51 III-3 pollution due à des rayonnements
A) définition de la radioactivité Tous les corps de la nature sont composés d'atomes qui sont infiniment petits Pour noter un atome , l 'écriture normalisée est la suivante zAM+x Z : le nombre de proton =le nombre d' électron (si atome électriquement neutre) A :=Z+N nombre de masse N= nombre de neutron n= charge de l’atome s'il est ionisé x le facteur de proportionnalité lorsqu'il est intègre dans une molécule

52 définition d'un isotope
Tous les noyaux d'un même élément s'ils ont le même nombre de protons peuvent contenir des nombres différents de neutrons. De tels atomes sont appelés isotopes et ont des propriétés physico-chimiques sensiblement identiques Un noyau possédant un excès ou un défaut de neutrons par rapport à un nombre donné de protons est instable, c'est a dire qu'il est capable de transformation. Les éléments radioactifs sont appelés radionucléides ou radioéléments

53 La radioactivité est la propriété d'un noyau atomique de se transformer spontanément en noyau d'un autre élément en émettant lors de cette transformation un rayonnement (rayon X ou gamma) ou une particule (alpha ou bêta). Il se peut qu'il faille plusieurs transformations avant d'arriver à un noyau stable, on parle alors de chaîne de désintégration

54 B-les lois de la radioactivité, décroissance radioactive
. On peut ainsi définir la probabilité de désintégration d'un nucléide instable. Cette probabilité désignée par λ est la constante radioactive de l’isotope. A tout moment, le nombre d'atomes subissant la transmutation radioactive (ΔN) est proportionnelle au nombre de noyaux présents dans 1 'échantillon considéré (N) on a ainsi la relation ΔN= λ N et ΔN est appelé Activité (A) de l’échantillon

55 Avec le temps, le nombre de noyaux radioactifs diminue
. Cette décroissance radioactive est liée à la probabilité de désintégration de chacun d'eux et s'effectue suivant une courbe exponentielle dont l’expression est Nt= N0e- λt Dans laquelle N, est le nombre de noyaux subsistant au temps t, N0 le nombre initial, e la base des logarithmes népériens La période radioactive T=(ln2)/l est le temps nécessaire pour que l’activité décroisse de moitié Nombre noyaux N N/2 temps T

56 Les différents type de rayonnement radioactif
désintégration BETA- Dans un noyau qui a trop de neutron, un neutron finit par se transformer en proton avec création d'un électron négatif (+ émission antineutrino) désintégration BETA+ Dans un noyau qui a trop de proton, un proton finit par se transformer en neutron avec création d'un positon (+ émission neutrino) b+ Pouvoir de pénétration Faible . Totalement arrêté par quelques mètres d’air ou par quelques millimètres dans les matériaux solides ou liquides

57 Désintégration alpha La désintégration alpha correspond à un excès important de nucléons (protons et neutrons). Le noyau radioactif trop lourd éjecte 2 protons et 2 neutrons (noyau d'hélium). La particule alpha est donc constitué par le noyau de l’atome d'hélium Pouvoir pénétration • Très faible . Totalement arrêté par quelques centimètres d’air ou par une simple feuille de papier

58 Rayonnements electromagnetiques: X, gamma
Longueur d’onde m Infra rouge Micro onde Onde radio 101 Gamma 10-24 Visible 10-9 X UV

59 Photon de haute énergie (… visible , UV , rayons-X , gamma)
Pouvoir de pénétration Très grand . Épaisseur-demie pouvant atteindre quelques centaines de mètres dans l’air et plusieurs centimètres dans les matériaux solides ou liquides

60 Protection contre rayonnement
type nature interaction parcours ecran air eau contamination a 2 Protons + 2 neutrons directe cm µm Air, tissus Papier peau b+ ou b- 1 electron 1 positon m mm Plastique verre Plexiglass aluminium irradiation g , X indirecte 100m Eau acier béton plomb

61 C-Les unités de mesure de la radioactivité
C1-Le Bequerel La radioactivité d'un échantillon s'évalue par le nombre de désintégrations par seconde qui s'y produisent. On l'exprime en becquerel (1Bq=1désintégration par seconde). Quelques exemples de radioactivités naturelles (ordres de grandeur) - eau de mer 12 Bq/1 -eau minérale naturelle :0,03 a 3 Bq/1 -lait: 40 Bq/1 -pomme de terre 150Bq/kg -viande 100Bq/kg -sable: 50 à 1000Bq/kg -poisson : 30 à 400 Bq/lkg

62 C2- la dose absorbée (D) Les rayonnements ionisants cèdent de l’énergie à la matière qu'ils traversent. Ce transfert d'énergie ou dose absorbée s'exprime en gray (1Gy=1 joule/kg de matière). En exposition externe, la dose absorbée se mesure alors qu'en exposition interne, elle se calcule à partir de la quantité de radionucléides ayant pénétrée dans l'organisme. On utilise également le débit de dose absorbée , qui correspond à la quantité d'énergie reçue par la matière irradiée par unité de masse et par unité de temps (lGy/h=l joule par kg de matière et par heure)

63 Evaluation de la nocivité potentielle
Lorsque la matière traversée est un organisme vivant, on évalue la nocivité potentielle de la dose ou équivalent de dose (H) en Sievert (Sv). A dose absorbée égale, les effets biologiques varient selon la nature du rayonnement et les conditions d'exposition H=D.Q (Q coeff de pondération,). Photon, Q=1 Electron Q=1 Particule alpha, fragment de fission Q=20 Un autre facteur correctif, prend en compte la radiosensibilité propre de chaque tissus ou organe (exemples gonade, moelle osseuse rouge, sein, peau ) Le dégât biologique subi par un tissu vivant irradié par unité de temps, ou débit d'équivalent de dose, est exprimé en sievert par heure (Sv/h)

64 D-Origine des rayonnements

65 Le radon

66 Utilisation de la radioactivité dans l' industrie
Les jauges radiométriques et gammagraphie : Ces dispositifs permettent de détecter des défauts dans des pièces mécaniques, contrôler des épaisseurs, vérifier des soudures par mesure de l'absorption des rayons gamma. Les traceurs radioactifs : Ils permettent de mesurer l 'usure des pièces en mouvement d' un moteur,de détecter les fuites d'un pipe-line,d'étudier le cours d'un fleuve... ce sont des radio-isotopes. Les éliminateurs radioactifs éliminent l'électricité statique gênante dans l'industrie du tissage ou des matières plastiques

67 Utilisations médicales :
        Exploration fonctionnelle : On utilise la scintigraphie pour obtenir l'image d'un organe grâce à l'injection d'une substance radioactive dans l'organisme : c'est un radiodiagnostic.         La radiographie : C'est une méthode permettant de voir le squelette au moyen de rayons X.         La radio-immunologie : Cette méthode est utilisé pour des dosages extrêmement précis tel que le dosage d'hormones, de médicaments,...etc...         La radiothérapie : C'est un traitement fondé sur l' action biologique des rayons ionisants et plus spécialement des rayons X         Stérilisation Gamma : Cette méthode est utilisé pour stériliser les produits médicaux à froid         Stimulateurs cardiaques : (piles au plutonium ).

68 Utilisation de la radioactivité dans l' agriculture et l' alimentation
Pour la création de nouvelle race végétale. - Les mutations :         Pour l' extermination des insectes, des mouches grâce à la stérilisation des mâles. L' irradiation : conservation aliment 4 à 5 fois plus longtemps. Les radiovaccins : Ce sont des vaccins qui permettent de protéger les animaux d' élevage de certaines maladies.

69 Autres utilisations de la radioactivité
La datation du carbone 14 : Cette méthode permet de dater des objets. La conservation des oeuvres d' arts : C' est une méthode permettant de stérilisé les oeuvres d' arts ou des documents grâce à une exposition au rayonnement Gamma. Les détecteurs d' incendies : Ce sont des appareils émettant des sources radioactives qui permettent de détecter les particules de fumées. Les batteries nucléaires : Ce sont des batteries permettant de produire plusieurs centaines de Watts en convertissant la chaleur émise par la radioactivité en électricité

70 réglementation Depuis 2000, dose maximale limite pour le public de 1mSv/an A partir de cette limite, détermination des doses dans les produits d’alimentation, exposition public… Réglementation de l’achat de molécule radioactive: localisation, personne responsable, justification de l’utilisation…

71 E-Effets toxiques: Les rayonnements interagissent très rapidement avec les électrons et les noyaux des atomes du milieu conduisent à des ionisations ou des excitations

72 Les effets des ionisations et excitations
Les ionisations et les excitations sont à l’origine des réactions physico-chimiques qui aboutissent la formations de radicaux libres.(a, b, proton produisent Bc ionisations) Un radical libre (X. )est un ensemble (atome, molécule) comportant un ou plusieurs électrons non appariés Radicaux libres : très grande réactivité chimique Cellule 70% eau, radicaux libres issus de la radiolyse de l’eau

73 e-aq: électron piégé dans un groupe de molécules d’eau
irradiation H e- H20 H3O+ ionisation H20 H+ + HO. H. + H2O e-aq H20 H3O+ H. + HO. H. + H20 excitation H20 irradiation HO. + H. H2O e-aq: électron piégé dans un groupe de molécules d’eau

74 Lésions moléculaires Toutes les molécules cellulaires (protéines, sucres, lipides, ADN, ARN) peuvent changer de structure et avoir impact sur fonctionnement cellule Atteinte ADN, impact très important sur fonctionnement cellulaire: irradiation = parfois mutation

75 Dommage cellulaire, lésions tissulaire, effet pathologique
dose gravité % pop affecté Cellule morte irradiation Effet déterministe de seuil Cellule réparée Effet nul cellule - survie mais perte de la faculté de division effet déterministe de seuil - élimination par le système immunitaire -pas d’élimination par le système immunitaire effet aléatoire différé: cancer, effet génétique Cellule mutée

76 Effet d’une exposition globale