Pollution atmosphérique 2011 Formation en météorologie Pollution atmosphérique 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   © 2010 Richard Harvey

Conséquences de la pollution atmosphérique Les changements climatiques La destruction de la couche d’ozone Le smog Les pluies acides http://clg-balzac-saint-amand-longpre.tice.ac-orleans-tours.fr/eva/spip.php?article98/

La destruction de l’ozone stratosphérique Définitions Ozone DU = Dobson units Although the stratosphere layer is over four times thicker than the lower atmosphere, the stratosphere holds so little gas that ozone is still considered one of the minor trace-gases of the overall atmosphere. In the lowest portion of the atmosphere, ozone represents less than one part in 100 million. The concentration of ozone in the stratosphere is up to 10ppm: this corresponds to about 12 ozone molecules per million air molecules. The ozone layer is located at an average altitude of 10 to 50 kilometers (see fig.1, 2). Ozone absorbs 97-99% of the sun's high frequency ultraviolet light in the 200 - 300 nm wavelength range which is potentially damaging to life on earth. Irradiation of these wavelengths is capable of destroying the complex molecules that make up biochemical systems. Ozone serves as a natural atmospheric filter to prevent this light from reaching the surface, thereby protecting Earth's life from damages. Every 1% decrease in the earth’s ozone shield is projected to increase the amount of UV light exposure to the lower atmosphere by 2%. Because this would cause more ozone to form in the lower atmosphere, it is uncertain how much of UV light would actually reach the earth’s surface (fig.2). © 2010 Richard Harvey

L’ozone stratosphérique Max de concentration se situe entre 20 et 40 km (stratosphère) : 8 molécules d’ozone par million de molécules d’air. Qu'est-ce que l'ozone et comment se forme-t-il? L'ozone (O3 : 3 atomes d'oxygène) est naturellement présent dans l'atmosphère. Variation latitudinal de la concentration de O3.

Unité de mesure : Le Dobson (DU) 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. 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.

L’ozone stratosphérique 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 (O2) en atomes d'oxygène (O). O2 + photon  O + O (1) L'oxygène atomique se recombine alors très rapidement avec l'oxygène moléculaire pour former de l'ozone: O2 + O  O3 (2) O2 + hv -> O + O (1) O + O2 O3 (2)

L’ozone stratosphérique Au-dessus de nous, dans la stratosphère, l’ozone 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 : O3 + photon  O2 + O (3) O3 + O  O2 + O2 (4) L'oxygène atomique se recombine alors très rapidement avec l'oxygène moléculaire pour former de l'ozone: O2 + O  O3 (2) O2 + hv -> O + O (1) O + O2 O3 (2)

Le cycle de Chapman © 2010 Richard Harvey (Gr. ozein, to smell), ozone is an allotropic form of oxygen having three atoms in each molecule, formula O3. It is a pale blue, highly poisonous gas with a strong odor and it is an irritating, corrosive, colorless gas with a smell something like burning electrical wiring. Ozone boils at -111.9° C, melts at -192.5° C, and has a specific gravity of 2.144. Liquid ozone is a deep blue, and a strongly magnetic liquid. It is formed when an electric spark is passed through oxygen. The presence of ozone causes a detectable odor near electrical machinery. In fact, ozone is easily produced by any high-voltage electrical arc (spark plugs, Van de Graff generators, Tesla coils, arc welders, as well as photo-copiers, laser printers, CRT-tubes as used in TV and PC-sets, etc). The commercial method of preparation consists of passing cold, dry oxygen through a silent electrical discharge. Each molecule of ozone has three oxygen atoms and is produced when oxygen molecules (O2) are broken up by energetic electrons or high energy radiation. Ozone is chemically much more active than ordinary oxygen and is a better oxidizing agent. It is used in purifying water, sterilizing air, and bleaching certain foods. Ozone formed in the lower troposhere originates from nitrogen oxides and organic gases emitted by automobiles and industrial sources. In the stratosphere at an altitude of 10 and 50 kilometers, the following reactions occur (fig.3): © 2010 Richard Harvey

Le cycle de Chapman Les molécules de O2 se dissocient par absorption d’un photon de longueur d’onde = 240 nm. Les molécules de dioxygène s’unissent à l’oxygène monoatomique pour former des molécules d’ozone. Le O3 absorbe un photon de longueur d’onde < à 300 nm et se dissocie en une molécule de dioxygène et un atome d’oxygène : taux de formation du O3 = taux de destruction du O3 . L’ozone se combine avec un atome d’oxygène pour former deux atomes de dioxygène. Une molécule de O3 a une durée de vie de 100 à 200 secondes avant sa dissociation. Malgré la faible concentration d’ozone dans la stratosphère sa présence est suffisante pour filtrer (absorber) le rayonnement solaire dans l’intervalle de longueurs d’onde 200-300 nm.

Perturbation anthropogénique du cycle de Chapman Canada

La destruction de l’ozone par les CFCs The reactive chlorine atoms formed then undergo the following reactions (fig.6):The oxygen atoms are supplied by the photochemical decomposition of molecular oxygen and ozone. The overall result is the net removal of an O3 molecule from the stratosphere: The Cl atom plays the role of a catalyst in the reaction mechanism scheme. One Cl atom can destroy up to 100,000 O3 molecules before it is removed by some other reaction. The ClO species is an intermediate because it is produced in the first elementary step and consumed in the second step (see fig.7). The above mechanism for the destruction of ozone has been supported by the detection of ClO in the stratosphere in recent years. © 2010 Richard Harvey

Réactions de destruction de l’ozone 2HCl + 2ClONO2 → 2HNO3 + 2Cl2 ClONO2 + H2O → HNO3 + HOCl HCl + HOCl → H2O + Cl2 N2O5 + HCl → HNO3 + ClONO N2O5 + H2O → 2 HNO3 The Cl atom plays the role of a catalyst in the reaction mechanism scheme. One Cl atom can destroy up to 100,000 O3 molecules before it is removed by some other reaction. The ClO species is an intermediate because it is produced in the first elementary step and consumed in the second step (see fig.7). The above mechanism for the destruction of ozone has been supported by the detection of ClO in the stratosphere in recent years. Cl2 + photon  2 Cl http://www.ozonedepletion.info/education/part3/ozonesources.html © 2010 Richard Harvey

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

Le vortex polaire http://biophysics.sbg.ac.at/atmo/ozone.htm

Hémisphère nord : on n’est pas à l’abri "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 Helen Chadwick http://www.iesd.dmu.ac.uk

Smog Le smog est une brume jaunâtre, provenant d'un mélange de polluants atmosphériques qui limite la visibilité dans l’atmosphère. Il est constitué surtout de particules fines et d'ozone. Il peut se former à toute période de l’année. L’été, il est en grande partie constitué d’ozone et de particules fines, alors que l’hiver 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 2005 - 9:00 – vue vers l’est (29e étage de l’édifice Marie-Guyart à Québec) http://www.mddep.gouv.qc.ca/air/info-smog/

Qualité d’air 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.

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). http://www.airparif.asso.fr/pollution/emissions-ou-concentrations

Conditions météorologiques et impact de la pollution En hiver, l’air 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 (NOx). L’importance 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. Le vent pousse et disperse les polluants horizontalement. L’absence de vent signifie que l’air stagne et permet aux polluants de s’accumuler dans l’air (smog). 2. La hauteur de mélange est la hauteur maximale que les polluants peuvent atteindre s’ils sont dispersés verticalement. En général, la hauteur de mélange est suffisante afin de disperser les polluants hauts dans l’atmosphère. Les polluants sont alors transportés par la couche d’air chaud ascendant jusqu’à l’air plus froid qui se trouve plus haut (voir diagramme). Dans le cas d’une inversion de température, les polluants sont retenus au niveau du sol là où ils causent le plus de dommages. Cette inversion se produit par exemple avant un front chaud ou dans une vaste crête de surface. L’air froid est retenu sous la couche d’air chaud, laquelle agit comme un couvercle. Les polluants de la couche plus froide ne peuvent pas être dispersés et demeurent concentrés au niveau du sol (voir diagramme). © 2010 Richard Harvey

La topographie La topographie joue également un rôle important dans la concentration des polluants. Par exemple, les « murs » physiques d’une vallée limitent les mouvements de l’air à l’intérieur de la vallée. De hauts niveaux de polluants dans l’air 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 l’air froid peut être retenu dans les nombreuses poches du terrain et entraîner une inversion de température. The Global Reach of Air Pollution Air pollution was once thought of as just a local problem. But global views from space by NASA and other space agencies confirmed that pollution can move from country to country and even across oceans. In the 1980s the first maps of ozone pollution low in the atmosphere, where it is a health hazard, drew attention to human impacts on the atmosphere such as agricultural fires and land-use changes in the tropics. Newer satellite views show plumes of pollution crossing oceans. (Image: Alaskan wildfires, 2004; NASA's Terra, Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer; Jacques Descloitres, NASA Goddard) (Image: Alaskan wildfires, 2004; NASA's Terra, Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer; Jacques Descloitres, NASA Goddard) © 2010 Richard Harvey

La topographie California's fires Surface maps show that the high pressure system that brought this week's strong Santa Ana winds to Southern California has now moved east and is over Colorado. The Santa Ana winds have ceased over California, and only light winds with afternoon sea breezes are expected today and for the next seven days. No precipitation is expected for at least the next week. The combination of light winds and lack of rain will make for a serious air pollution hazard in the region, until the fires are extinguished. There is still plenty of smoke over the ocean waters (Figure 2) that will get blown back over land by afternoon sea breezes over the next week. 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. © 2010 Richard Harvey

La topographie

Été : smog photochimique Dans le cas de l'ozone, il s'agit plutôt d'une réaction impliquant les rayons solaires http://www.derm.qld.gov.au/air/pollution/pollutants/ozone.html

Processus simplifié de formation de l’ozone http://www.appa.asso.fr/npdc/Pages/article.php?art=195 Processus simplifié de formation de l’ozone Les précurseurs sont parfois transportés par les masses d’air sur plusieurs centaines de kilomètres. Les concentrations d’ozone les plus importantes ne sont pas nécessairement mesurées sur le lieu principal d’émission des polluants précurseurs (centre des agglomérations, zones industrielles), mais parfois à 50, voire jusqu’à 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 d’ozone ; Durant la canicule, les températures élevées et le fort ensoleillement contribuent à une formation importante d’ozone. La formation de l’ozone troposphérique répond à des mécanismes complexes composant un cycle de réactions appelé cycle de l’ozone. L'ozone est un polluant secondaire : il est issu de plusieurs réactions chimiques faisant intervenir des composés précurseurs : les polluants primaires, soumis sous l’influence des conditions atmosphériques. En effet, ces réactions nécessitent le rayonnement intense du soleil, c’est ce qu’on appelle la pollution photochimique. Le cycle journalier de l’ozone Les polluants participant à la formation de l’ozone peuvent aussi le détruire. En effet, en ville, la pollution associée émise (trafic automobile, foyers de combustion…) consomme en partie l’ozone et limite donc son accumulation. Ce qui explique les niveaux bas observés le matin et le soir. La formation d’ozone en excès sous l’action du soleil atteint son maximum en milieu d’après-midi. Ces variations constituent le cycle journalier de l'ozone. Ainsi, l’ozone ne se rencontre pas au même niveau que les sources d’émission mais plus loin. C’est pourquoi cette pollution touche plutôt les zones rurales ou périurbaines. Il y a aussi un cycle annuel : l'ozone est présent principalement pendant la saison estivale où l'ensoleillement est à son point le plus élevé de l'année. © 2010 Richard Harvey

Évolution des panaches de pollution 1ère phase : Le panache de fumées s’élève et sa trajectoire dépend essentiellement : 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 l’effluent est nettement plus élevée que celle de l’air environnant de sa vitesse d’éjection Vs qui peut atteindre 10 m/s ; 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.

Évolution des panaches de pollution 2e phase: Elle débute lorsque le panache acquiert une densité sensiblement égale à celle de l’air ambiant : devenu horizontal, il n’a plus de mouvement propre et sa diffusion dépend des conditions météorologiques et de la turbulence atmosphérique. 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 thermique due à la variation de la température de l’air avec l’altitude (structure thermique verticale).

Évolution des panaches de pollution 3e phase Elle concerne la diffusion du panache à l’échelle régionale (distances de l’ordre de 20 à 400 kilomètres en aval de la source). Progressivement, les polluants tendent à se répartir uniformément à l’intérieur d’un volume d’atmosphère appelé couche de mélange. Le panache perd alors ses paramètres d’émission. 4e phase Les polluants se déplacent alors sur de longues distances, à plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de kilomètres des points d’émission.

Stabilité + turbulence Stable Dispersion des polluants Neutre Stable Stable Instable http://www.imagefree.org/freeimage/ViewImage.aspx?imageId=240710 Stabilité + turbulence Instable Vitesse du vent Dispersion = advection + diffusion (transport) (dilution) © 2010 Richard Harvey

Dispersion des polluants Lochcarron, Scotland Stable http://www.imagefree.org/freeimage/ViewImage.aspx?imageId=240710 Source : Wikipédia © 2010 Richard Harvey

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 l’ensemble des retombées des polluants gazeux ou particulaires incorporés au sein des précipitations (pluie, neige, brouillard, etc.). Ils résultent : de la circulation des masses d’air pollué qui entraîne une incorporation progressive des polluants dans les gouttelettes d’eau des nuages ; des polluants présents sous forme de fines particules dans l’air, qui peuvent servir de noyaux autour desquels se condense la vapeur d’eau atmosphérique ; des polluants qui sont entraînés vers le sol par lessivage de l’atmosphère au cours des précipitations.

La dispersion des polluants selon leur taille Une pluie régulière augmente la quantité de produits particulaires amenés jusqu’au sol. Cependant, l’efficacité de cette élimination décroît avec la taille de la particule. De même, les effets de condensation ou d’évaporation jouent un rôle important dans la captation, la transformation et la dispersion des polluants. On estime qu’environ le tiers des polluants émis dans l’air retourne au sol sous forme de retombées humides. Les dépôts secs correspondent aux retombées au sol des polluants gazeux ou particulaires, en l’absence de précipitations. Ces retombées se produisent sous l’effet de la diffusion, de la turbulence, de la gravité. Ceci est particulièrement valable pour le soufre. Le temps de séjour des polluants dans l’air est très variable et dépend notamment de leurs caractéristiques physico-chimiques. On évalue, par exemple, à quelques jours seulement la durée de vie du dioxyde de soufre qui se transforme progressivement en sulfate particulaire. En revanche, les particules de taille inférieure au micromètre, très légères peuvent rester plusieurs semaines, voire plusieurs mois en suspension, en particulier si leur diffusion s’effectue dans la haute troposphère, voire dans la basse stratosphère. © 2010 Richard Harvey

Les pluies acides

Définition Les pluies acides peuvent être produites 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. Les pluies acides peuvent être produites par la nature, les NOx (volcans, foudre) et amplifiées par l'activité humaine (chauffage, transport : NOx; industrie : SO2 ,…).

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

Définition 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 l’humain) sont les industries, le chauffage, les transports, etc. Ces sources anthropiques produisent  deux polluants: le dioxyde de soufre (SO2), issu de la fusion des minerais, de l'exploitation de centrales et du traitement du gaz nature; ainsi que de l’oxyde d’azote (NOx) produit par la combustion des comburants par automobiles, les moteurs et chaudières industrielles et l'alimentation des centrales électriques.

La formation et le dépôt des pluies acides

Définition

Pluies acides

Le problème en Amérique du Nord Principales sources de SO2 au Canada : 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.