IUP Ingénierie de la Santé Écotoxicologie – Pollution atmosphérique M1 MSSET Cours Magistraux Écotoxicologie – Pollution atmosphérique Erwan Stéphan-Blanchard

1. L’atmosphère terrestre PLAN DU COURS 1. L’atmosphère terrestre 1.1) Structure verticale de l’atmosphère 1.2) Composition de l’atmosphère 1.3) Pollution de l’air, définition 1.4) Les grandes sources de pollution 2. Mécanismes de la pollution atmosphérique 2.1) Des émissions croissantes 2.2) Le rôle des vents dominants dans la dispersion 2.3) La transformation des polluants dans l’atmosphère 3. Impacts de la pollution atmosphérique 3.1) Impacts sur la santé humaine 3.2) Impacts sur l’environnement : l’exemple des pluies acides

1. L’atmosphère terrestre L’atmosphère, c’est l’enveloppe gazeuse qui entoure la Terre. A l’échelle de la planète, cette couche est très mince (quelques km), mais pèse fort lourd (un peu plus de 5 milliard de tonnes). De ce fait, l’atmosphère exerce une pression sur le sol (masse de l'air par unité de surface), c’est la pression atmosphérique (mesurée en HPa – Hecto-Pascal). Le siège du climat

1. L’atmosphère terrestre La masse volumique de l'air est toujours décroissante vers le haut ce qui se traduit par une baisse également décroissante de la pression Ainsi, la moitié de la masse de l'atmosphère se situe au dessous de 5500 m, les 2/3 au dessous de 8400 m, les 3/4 au dessous de 10300 m, les 9/10 au dessous de 16100 m etc...

1.1) Structure verticale de l’atmosphère C’est la variation verticale de la température qui fonde le découpage de l’atmosphère en 4 couches principales : La troposphère : couche du changement (0 – 12 km dans les latitudes tempérées) C’est la zone où les phénomènes météorologiques se produisent (nuages, précipitations…). C’est aussi la zone où la sphère du vivant s’est développée. La stratosphère : 12 – 45 km La mésosphère ou couche chaude : 45 – 80 km La thermosphère ou ionosphère : au-delà de 80 km

1.2) Composition de l’atmosphère Gaz permanents : O2 : 21% ; N2: 78% & gaz rares : Argon, Xénon, Hélium… Gaz à teneur variable : Vapeur d’eau (H2O), Dioxyde de carbone (CO2), sels marins, poussières, fumées et spores…

1.3) Pollution de l’air, définition Présence dans l’atmosphère de contaminants naturels, anthropiques ou causés par les activités humaines, dans une quantité et pour un temps donnés, causant des dommages à la vie humaine, végétale et animale ou dégradant les conditions de vie. Polluants : Fumées SO2, CO, CO2, NO, NO2, O3 Métaux lourds comme le Pb Certains radionucléides (Césium…) provenant des essais nucléaires atmosphériques ou des centrales nucléaires (Tchernobyl)

1.4) Les grandes sources de pollution Pollution naturelle Le volcanisme est une des sources importantes de pollution atmosphérique. Emissions annuelles : 36 millions de tonnes, sans éruption majeure.

Mont-St-Helens (1981) Krakatoa, 1883 : émission d’environ 21 millions de m3 de poussières, soit environ 40 millions de tonnes

Les vents sont également à l’origine de l’émission de poussières atmosphériques dans la troposphère et dans la stratosphère inférieure

Combustions naturelles : incendies de forêt

1.4) Les grandes sources de pollution Pollution naturelle ou artificielle Emissions de gaz à effet de serre (Méthane CH4 et protoxyde d’azote (N02) par les processus de fermentation de la matière organique et la fertilisation des cultures

Tourbières, rizières, zones humides ; Etres vivants (tout particulièrement les bovidés). Sites d’enfouissement de déchets… Rizières

Combustions d’origine humaines : fumées industrielles 1.4) Les grandes sources de pollution Pollution anthropique Combustions d’origine humaines : fumées industrielles

Combustions d’origine humaines : gaz d’échappement

Pollutions nucléaires

Toutes ces pollutions se sont progressivement accrues depuis le milieu du 19ème siècle avec l’augmentation de la population humaine et de la combustion des énergies fossiles (charbon et pétrole).

Cette pollution de l’air est souvent facilement visible à grande échelle depuis l’espace. Un exemple caractéristique est celui du grand « nuage brun », mélange de fumée et de « smog » créé par les feux de forêt s’étendant sur de nombreuses îles en Indonésie. Ici, on observe un énorme panache de fumée se développant vers l’ouest des îles au dessus de l’océan Indien (les couleurs représentent les variations de la quantité d’ozone).

Sur cette image, un nuage opaque d’air pollué en grande partie lié à la combustion du charbon couvre une grande partie de la Chine orientale (image prise le 2 janvier 2000)

2. Mécanismes de la pollution atmosphérique Emissions Dispersion Transformation chimique Retour au sol (Immission)

2.1) Des émissions croissantes Accroissement du dioxyde de carbone : production en forte croissance depuis le début de l’ère industrielle ; les mesures atmosphériques confirment cet accroissement

Evolution constatée des émissions mondiales du seul CO2 provenant des combustibles fossiles, en gigatonnes d'équivalent carbone (1 Gt = 1.000.000.000 tonnes). Le terme "réservoirs internationaux" correspond aux transports aérien et maritime).

Des valeurs de CO2 inégalées depuis au moins 150.000 ans

Des perspectives alarmistes quel que soit le modèle

Le méthane (CH4) augmente également rapidement… Les ruminants sont la cause de 18-20% du méthane produit annuellement dans le monde (Leng, 1993). Le méthane (CH4) augmente également rapidement…

Les émissions de chlorofluorocarbones (CFC) qui avaient fortement augmenté avant 1990 se stabilisent progressivement depuis cette date à la suite des mesures internationales interdisant leur production.

Répartition des émissions par type de polluant en 2000 CO2 et CH4 sont les deux gaz primaires à effet de serre dont les émissions sont les plus fortes chaque année. Exemple du Québec

2.2) Le rôle des vents dominants dans la dispersion Les vents vont jouer un rôle majeur dans la dispersion des polluants

A) Circulation atmosphérique générale planétaire

Carotte de neige prélevée au pôle sud au début des années 1990 B) Un exemple des incidences de ces vents dominants sur la dispersion des polluants : Tchernobyl En avril, l’explosion de la centrale nucléaire de Tchernobyl tua 250 personnes et envoya dans l’atmosphère une grande quantité de radionucléides causant des retombées radioactives sur l’ensemble du globe. Comme le montre le graphe ci-contre, les scientifiques ont trouvé la trace de cette explosion dans la couverture neigeuse du Pôle Sud. Dans les carottages glaciaires réalisés en Antactique et au Groenland, on a également trouvé les traces des premières explosions atomiques militaires depuis le milieu des années 1950, puis un second pic de retombées radioactives coïncidant avec les tests thermonucléaires de 1964-65 (Bikini). A partir de 1965, à la suite de la signature d’un traité international interdisant les essais nucléaires atmosphériques (traité signé par 90 pays), les taux de radioactivité de la neige ont connu une rapide diminution. Carotte de neige prélevée au pôle sud au début des années 1990 (profondeur 6m).

Dispersion des particules radioactives dans les jours qui ont suivi l’explosion

Transferts de radionucléides La pollution de l’Europe occidentale en 1986 lors de l’accident nucléaire de Tchernobyl

Transferts de radionucléides

2.3) La transformation des polluants dans l’atmosphère Ex. de l’ozone

La production d’ozone en provenant des polluants primaires (en particulier les oxydes nitreux (NO et NO2)) : Les atomes d’oxygènes sont libérés des oxydes nitreux (en particulier du dioxyde d’azote NO2) par l’action du soleil. Le rayonnement solaire attaque les molécules d’oxygène pour les transformer en ozone (O3). Les oxydes nitreux (NO) peuvent ensuite se recombiner avec l’ozone pour reformer des dioxydes d’azote… et le cycle se répète !

Une conséquence typique de fortes concentrations en ozone troposphérique : la formation du smog… SMOG… = contraction de smoke et de fog

Smog d’été Smog d’hiver

A) Facteurs d’une forte production d’ozone La conjonction de fortes émissions et d’une situation météorologique défavorable conduisent à la concentration des polluants primaires et à la forte production d’ozone dans la troposphère. Ex. Paris 10/10/95

Situations météorologiques défavorables : forte stabilité de l’air (situation anticyclonique) phénomènes d’inversion thermique fortes chaleurs et fort ensoleillement

Ex. d’une coupe verticale au dessus de Nashville (USA) L’ozone va se concentrer au dessus des grandes villes et des sites industriels, du fait de la forte émission de polluants primaires (chauffage urbain, pollution industrielle et atmosphérique)

Ex. de N.Y. et d’Atlanta (USA) Relations entre la concentration en ozone et la température moyenne journalière

Ex. de Toronto Fréquemment, dans les grandes mégalopoles mondiales et les grands sites industriels, l’extention des zones à très forte teneur en ozone dépasse le cadre local et atteint un échelle régionale. Carte présentant les plus fortes concentrations d’ozone enregistrées dans la région de Toronto et des grands lacs américains le 27 juin 2001. Les figurés les plus sombres (rouge sombre) indiquent des valeurs dangereuses (>120ppb).

10% de l’ozone atmosphérique se trouve dans la troposphère 10% de l’ozone atmosphérique se trouve dans la troposphère. Comme les polluants primaires, l’ozone a connu une nette augmentation au cours du 20ème siècle.

3. Impacts de la pollution atmosphérique Impacts sur la santé humaine Impacts sur l’environnement

3.1) Impacts sur la santé humaine

Ex. de la mortalité humaine liée à la pollution par la combustion des produits fossiles (USA) Mortalité en relation avec la pollution de l’air courante aux USA par les processus de combustion de produits fossiles

Une grande inégalité des émissions de CO2 selon les pays 3.2) Impacts sur l’environnement : l’exemple des pluies acides Une grande inégalité des émissions de CO2 selon les pays

Conséquences environnementales de la pollution atmosphérique

A) L’origine de pluies acides Etats-Unis Aux Etats-Unis, les rejets de Nox et SO2 ont augmenté entre 1900 et 1970. Après la mise en place du « Clean Air Act » en 1970, le contrôle des émissions a permis de stabiliser les rejets dans l’atmosphère.

B) La formation des pluie acides La combinaison du soleil, des sulfates et nitrates atmosphériques et de l’eau des nuages conduit à la formation de pluies chargées en acide nitrique et sulfurique

C) Caractéristiques physico-chimiques des pluies acides

Distribution spatiale des pluies acides aux USA et en Angleterre

Cette carte montre les zones du globe actuellement et potentiellement affectées par les pluies acides.

D) Conséquences environnementales des pluies acides Les pluies acides causent l’accroissement de l’acidité des lacs et des rivières, tuant les poissons (i.e. 140 lacs du Minnesota ont été totalement dépeuplés de tous leurs poissons et la population des truites et saumons de Norvège ont été très fortement réduits à cause de l’accroissement de l’acidité de l’eau. Des accroissements temporaires de l’acidité tuent beaucoup de poissons, mais le plus fort impact est sur le long terme avec l’arrêt de la reproduction des espèces piscicoles. Les algues unicellulaires et les plantes lacustres souffrent également de l’accroissement de l’acidité (dès que le pH est inférieur à 5) et les taux de mortalité augmentent fortement dès que l’acidité est inférieure à pH 4.5.

L’acidité libère également des métaux toxiques tels que l’aluminium qui empêche le poisson de respirer. Ces libérations se produisent également dans les sols et contaminent les lacs par l’intermédiaire des écoulements fluviaux. En Suède, par exemple, 10.000 lacs ont des concentrations en mercure anormalement élevées et les poissons ne peuvent plus être consommés par les populations. Des effets directs sur les populations humaines existent également, tel l’abandon de captages d’eau potable ; en Suède, par exemple, certaines eaux de captage contiennent tellement de cuivre qu’elles pourraient provoquer le verdissement des cheveux ! endommager le foie et les reins et provoquer des diarrhées chez les nourrissons.

Acidité des lacs d’Adirondack Park (USA) Acidification des lacs Acidité des lacs d’Adirondack Park (USA)

Acidification des lacs

Acidification des lacs Truites Ecrevisses Escargots Hannetons Lacs et cours d’eau Les lacs naturels et rivières ont une acidité comprise entre 6 et 8. Les pluies acides causent une baisse du pH à des valeurs parfois inférieures à 3. Cette figure montre les différents niveaux d’acidité que certaines formes de vie peuvent supporter. Même si les grenouilles peuvent supporter une large gamme de pH, ils mangent les hannetons qui eux ne supportent pas une telle acidité. De ce fait les grenouilles disparaissent aussi par manque de nourriture.

Dégradation des forêts Les pluies acides causent de graves dommages aux arbres, en particuliers au résineux. Ainsi des vastes étendues forestières au Canada, USA, Europe centrale, ainsi qu’en Scandinavie ont été détruites. Cela se produit dans les cas de pluies très fortement acides, c’est à dire avec des pH = 4 ou moins. De surcroît, les forêts peuvent être affectées d’une autre manière à travers le changement des sols. Les pluies acides provoquent le lessivage des nutriments et la composition chimique des sols est alors modifiée pour très longtemps.

Taux de perte de feuille des arbres dans différents pays européens Dégradation des forêts Taux de perte de feuille des arbres dans différents pays européens

Dégradation des forêts Cette carte montre le degré d’endommagement des forêts d’Europe occidentale et centrale en relation avec les pluies acides

Dégradation des monuments Les pluies acides affectent également les constructions humaines, en particulier les monuments historiques, en provoquant la dissolution des parements et des sculptures réalisés dans des matériaux calcaire

Challenge du 21ème siècle : réduction des émissions