Chimie de l'Environnement - Pollution de l'Atmosphère 2023/2024 PDF

Chimie de l’environnement Pollution de l’atmosphère 2023/2024  Index : 1- propriétés de l’atmosphère 2- composés urbiquitaires 3- polluants dans la troposphère 3.1- émissions anthropiques et l...

Chimie de l’environnement Pollution de l’atmosphère 2023/2024  Index : 1- propriétés de l’atmosphère 2- composés urbiquitaires 3- polluants dans la troposphère 3.1- émissions anthropiques et leur source 3.2- émissions naturelles et leur source 3.3- cas du CO2 et du méthane 3.4- présence de pluie 3.5- transformations physicochimiques des polluants dans l’atmosphère 4- la stratosphère 4.1- généralités 4.2- cycle de l’ozone stratosphérique 4.3- perturbation du cycle de Chapman - par les gaz naturels - par les CFC La pollution de l'air, selon Santé publique France, est un « ensemble de gaz et de particules en suspension présents dans l’air (intérieur ou extérieur) dont les niveaux de concentration varient en fonction des émissions et des conditions météorologiques, et qui sont nuisibles pour la santé et l’environnement ». La pollution de l'air (ou pollution atmosphérique) est une altération de la qualité de l'air pouvant être caractérisée par des mesures de polluants chimiques, biologiques ou physiques (appelés « aérocontaminants »). Elle peut avoir des conséquences préjudiciables à la santé humaine, aux êtres vivants, au climat, ou aux biens matériels.  Propriétés de l'atmosphère 1/ La Composition : L'atmosphère a plusieurs propriétés intéressantes, elle est composée principalement de gaz comme l'azote, l'oxygène et le dioxyde de carbone. Elle nous protège des rayons du soleil, régule la température de la Terre, permet la respiration 4/ La stratification : des êtres vivants, transporte la vapeur d'eau, La stratification de l'atmosphère fait et crée les différents phénomènes référence à la division de l'atmosphère en météorologiques comme les nuages, les vents différentes couches distinctes. La couche la et les précipitations. plus basse est appelée la troposphère, où se 2/ La pression atmosphérique : produisent les phénomènes météorologiques. La pression atmosphérique l'altitude. À niveau Au-dessus de la troposphère se trouve la de la mer, elle est d'environ 101,3 kilo pascals stratosphère, qui abrite la couche d'ozone (kPa) ou 1 atmosphère. protectrice. Ensuite, il y a la mésosphère et la 3/ La température : thermosphère, qui sont les couches La température de l'atmosphère varie en supérieures de l'atmosphère. Chacune de ces fonction de l'altitude. Généralement, la couches a des caractéristiques uniques en température diminue avec l'altitude, mais il termes de température, de composition et de existe des exceptions dans certaines couches comportement. de l'atmosphère. 5/ Vapeur d'eau : La quantité de vapeur d'eau dans 6/ Réfraction de la lumière : Les mouvements de l'air créent des modèles L'atmosphère est responsable de la de circulation atmosphérique, tels que les réfraction de la lumière, ce qui crée des vents, les cellules de Hadley, les cellules de phénomènes optiques tels que les arcs-en- Fer et les cellules polaires. ciel, les halos et les mirages. 10/ la réflexion et l'absorption de la 7/ Protection contre les rayonnements lumière solaire : solaires : L'atmosphère réfléchit et absorbe une partie L'atmosphère protège la surface de la Terre de la lumière solaire, ce qui contribue à en absorbant une partie des rayonnements modérer les températures à la surface de la solaires dangereux tels que les rayons Terre. ultraviolets (UV) et les rayons gamma. 8/ Conduction, convection et rayonnement : L'atmosphère transfère la chaleur à la surface de la Terre par conduction, convection et rayonnement. 9/ Circulation de l'atmosphérique :  Les couches de l'atmosphère L'atmosphère terrestre est généralement divisée en plusieurs couches distinctes, chacune caractérisée par des variations de température, de composition chimique et de comportement dynamique. De la surface de la Terre vers l'extérieur, les principales couches de l'atmosphère sont les suivantes 50% : Troposphère : C'est la couche la plus proche de la surface terrestre, s'étendant jusqu'à une altitude d'environ 8 à 15 kilomètres (5 à 9 miles) au niveau des 25% pôles et jusqu'à environ 18 kilomètres (1110% miles) à l'équateur. La troposphère contient la plupart des gaz atmosphériques et est le site où se produisent 90% la plupart des phénomènes météorologiques. La température diminue avec l'altitude dans cette couche. Stratosphère : Au-dessus de la troposphère, la stratosphère s'étend jusqu'à une altitude d'environ 50 kilomètres (31 miles). Dans cette couche, la température augmente avec l'altitude, en raison de la Mésosphère : La mésosphère s'étend de la fin de la stratosphère à une altitude d'environ 85 kilomètres (53 miles). Dans cette couche, la température diminue à nouveau avec l'altitude. C'est également la région où les météores brûlent en entrant dans l'atmosphère. Thermosphère : Située au-dessus de la mésosphère, la thermosphère s'étend jusqu'à une altitude d'environ 600 kilomètres (373 miles). La température dans cette couche augmente considérablement en raison de l'interaction avec les rayonnements solaires. Cependant, en raison de la faible densité de particules, la température ressentie par un objet dans la thermosphère serait très basse. Exosphère : La couche la plus externe de l'atmosphère, l'exosphère, s'étend au-delà de la thermosphère. Il n'y a pas de limite définie entre l'atmosphère et l'espace, et les particules deviennent de plus en plus rares à mesure que l'on s'éloigne de la Terre. Il est important de noter que ces divisions sont basées sur des variations de température et de composition, et il n'y a pas de frontières physiques nettes entre ces couches. Les variations peuvent également être influencées par Les composés ubiquitaires Les composés ubiquitaires de l'atmosphère géographique. sont des substances chimiques qui se Méthane (CH4) : Le méthane est un gaz à effet trouvent de manière répandue et générale de serre, et bien qu'il ne soit présent qu'en dans l'atmosphère terrestre. Ces composés faibles concentrations (environ 1,8 ppm), il joue sont souvent présents à des concentrations un rôle important dans le changement relativement constantes dans l'air et climatique. peuvent provenir de sources naturelles, Dioxyde de carbone (CO2) : Le dioxyde de anthropiques (d'origine humaine) ou des carbone est un autre gaz à effet de serre présent deux. Voici quelques exemples de dans l'atmosphère, avec une concentration composés ubiquitaires de l'atmosphère : d'environ 412 ppm en 2021. Argon (Ar) : L'argon est un gaz noble qui Azote (N2) : L'azote gazeux constitue environ constitue environ 0,93% de l'atmosphère. 78% de l'atmosphère terrestre. Cependant, il Ozone (O3) : L'ozone est présent dans la existe également d'autres composés azotés, tels stratosphère, où il forme la couche d'ozone qui que le dioxyde d'azote (NO2) et les oxydes protège la Terre des rayons ultraviolets nocifs du d'azote (NOx), qui peuvent être produits par des soleil. Cependant, il peut également être présent activités humaines telles que la combustion de à des concentrations plus élevées à des altitudes combustibles fossiles. plus basses en raison de la pollution Oxygène (O2) : L'oxygène gazeux est essentiel atmosphérique. à la vie sur Terre et constitue environ 21% de Particules en suspension (aérosols) : Les l'atmosphère. particules en suspension dans l'air, telles que la Vapeur d'eau (H2O) : La vapeur d'eau est un poussière, la suie et les particules issues de la composant variable de l'atmosphère, et sa combustion, sont également des composants  Polluants dans la troposphère La troposphère est la couche de l'atmosphère qui est en contact direct avec la surface de la Terre. C'est la que se produit la majeure partie de la pollution atmosphérique. Les polluants présents dans la troposphère peuvent être d'origine naturelle ou anthropique. Les émissions anthropiques sont les émissions de gaz à effet de serre qui sont causées par les activités humaines. Ces émissions proviennent de différentes sources, notamment: ❖ Émissions de CO2 : dues à la combustion de combustibles fossiles : ❖ Source : Utilisation de charbon, pétrole et gaz naturel pour la production ❖ Émissions d'électricité, le de méthaneet(CH4) chauffage : les transports comme les voitures, les ❖ Source camions, les: avions Production etbateaux et les transport de combustibles fossiles, riziculture, élevage du bétail, décharges deché L'industrie: les usines et les centrales électriques sont des sources importantes d'émissions de gaz à effet de serre en raison de leur utilisation de combustibles fossiles pour produire de l'énergie. ❖ Émissions de protoxyde d'azote (N2O) : ❖ Source : Utilisation d'engrais azotés, combustion de biomasse, décomposition des déchets organiques. ❖ Émissions de gaz fluorés (HFC, PFC, SF6) : ❖ Source : Industrie, climatisation, réfrigération, production de semi-conducteurs. Émissions Naturelles et Leurs Sources : Bien que les émissions humaines soient la principale source de pollution atmosphérique, il existe également des émissions naturelles qui contribuent à la pollution de l'air. ❖ Émissions de CO2 par la décomposition organique : ❖ Source : Décomposition naturelle de la matière organique par les micro- organismes. ❖ Émissions de composés organiques volatils (COV) par la végétation : ❖ Source : Émission naturelle de composés organiques par les plantes.et des solvants, des peintures et des produits chimiques. ❖ Émissions volcaniques : ❖ Source : Émissions de gaz et de particules par les volcans pendant les é Les gaz émis par les volcans comprennent le dioxyde de soufre, le dioxyde de carbone et le méthane, qui peuvent avoir un impact sur la qualité de l'air et le climat. ❖ Émissions de Feux de Forêt: Les feux de forêt sont une autre source importante d'émissions naturelles de gaz et de particules dans l'atmosphère. Les incendies peuvent émettre des quantités importantes de dioxyde de carbone, de monoxyde de carbone, de particules fines et d'autres polluants atmosphériques.  Cas du CO2 et du méthane: Le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4) sont deux gaz à effet de serre importants qui jouent un rôle crucial dans le changement climatique. Voici quelques informations sur leur impact et leurs sources : Dioxyde de carbone (CO2) : Sources : Les principales sources de CO2 sont les activités humaines telles que la combustion des combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) pour la production d'énergie, le transport, l'industrie et la déforestation. Les processus naturels, tels que la respiration des organismes vivants et la décomposition des matières organiques, contribuent également aux émissions de CO2. Impact : Le CO2 est le principal gaz à effet de serre responsable du réchauffement climatique. Il absorbe une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre et contribue à retenir la chaleur dans l'atmosphère, créant ainsi l'effet de serre. Les concentrations accrues de CO2 dans l'atmosphère augmentent la Méthane (CH4) : Sources : Le méthane est émis par des processus naturels, tels que la décomposition des matières organiques dans les marais et les ruminants, ainsi que par les activités humaines, notamment l'extraction et la combustion de combustibles fossiles, l'élevage intensif de bétail, la gestion des déchets et les fuites de gaz naturel. Impact : Le méthane est un gaz à effet de serre plus puissant que le CO2, bien que sa durée de vie dans l'atmosphère soit plus courte. Il a un potentiel de réchauffement global plus élevé sur une période de 20 ans. Les émissions de méthane contribuent donc de manière significative au réchauffement climatique. De plus, lorsque le méthane réagit dans l'atmosphère, il peut également contribuer à la formation d'ozone troposphérique, qui est un polluant atmosphérique néfaste pour la santé humaine et l'environnement. La réduction des émissions de CO2 et de méthane est essentielle pour atténuer les effets du changement climatique. Des mesures telles que la transition vers des énergies renouvelables, l'amélioration de l'efficacité énergétique, la gestion des déchets et l'adoption de pratiques  Présence de pluie : L’eau de pluie est naturellement polluée. En effet les gouttes d’eau ne peuvent atteindre une taille suffisante pour tomber vers le sol que s’il existe des particules solides dans l’atmosphère permettant d’initier le processus de nucléation. Une partie des polluants atmosphériques urbains sont donc entraînés vers le sol lors des périodes pluvieuses. Les concentrations en polluants sont cependant extrêmement faibles ,et, dans la plupart des situations l’eau de pluie est de qualité potable lorsqu’elle arrive au niveau du sol. Le facteur limitant le plus fréquent est le pH (pluies acides), mais cette acidité est très rapidement tamponnée par les Depuis le début des années 1950, on observe une forte augmentation de l’acidité des eaux de pluie dans matériaux sur lesquels elle ruisselle ou qu’elle traverse. diverses régions industrielles du monde. Ces " pluies acides " résultent essentiellement de la pollution de l’air par des gaz (dioxyde de soufre et oxydes d’azote) et des particules, issus de différentes activités industrielles, de la combustion de produits fossiles riches en soufre, de la circulation automobile et de l’élevage industriel. Ces gaz se dissolvent dans la vapeur d’eau de l’atmosphère et sont oxydés en acides Figure : Pluies acides Comment se forment les pluis acides ?  Transformation physico chimique des polluants atmosphériques : La pollution de fond correspond à des niveaux de pollution représentatifs d’un large secteur géographique (tels qu’une région ou un pays). C’est une pollution à laquelle la population et les écosystèmes sont soumis à minima. Plus précisément, la pollution de fond englobe les polluants atmosphériques issus de diverses sources d’émissions naturelles et anthropiques (cf. illustration ci-dessous). Ces polluants peuvent disposer d’une relative longue durée de vie et donc présenter des niveaux de fond plus élevés. Ces polluants peuvent aussi être transportés sur de très longues distances par les masses d’air et ainsi impacter de plus grandes distances. Des espèces secondaires, qui résultent de la transformation de polluants de nature et de sources variées, peuvent être également transportées et finalement impacter des zones éloignées du lieu d’émission de leurs précurseurs. A cette pollution de fond vient s’ajouter une pollution de proximité générée par des sources d’émissions liées à l’activité humaine (tels que le chauffage résidentiel, le trafic routier et les activités industrielles). comme nous le montre le schéma suivant, la pollution de l'air est régie par un processus comportant quatre étapes : l'émission, le transport, la transformation chimique, l'immission. Figure : Emissions, transport, transformation et dépôts des polluants inorganiques La connaissance et le suivi sur le long terme de la pollution de fond sont essentiels afin d’évaluer l’efficacité des politiques de réduction des émissions à large échelle, de suivre l’évolution des émissions naturelles dans un contexte de changement climatique mais aussi d’estimer la contribution d’une pollution plus diffuse aux échelles régionale et nationale. La transformation des polluants : Au printemps et en été, certains polluants sous l'effet du rayonnement solaire et en rencontrant d'autres polluants, vont se transformer. On obtient alors des polluants dits secondaires, car ils ne sont pas émis directement dans l'atmosphère. C'est le cas de l'ozone et de certaines particules.  La stratosphère: La stratosphère est une couche de l'atmosphère située au-dessus de la troposphère, s'étendant d'environ 10 à 50 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre. Voici quelques généralités sur la stratosphère : Composition : La stratosphère est principalement composée de dioxygène (O2) et d'ozone (O3). La concentration d'ozone y est plus élevée que dans les autres parties de l'atmosphère, formant la couche d'ozone stratosphérique. Température : La température dans la stratosphère augmente avec l'altitude en raison de l'absorption des rayons ultraviolets (UV) par l'ozone. Cette augmentation de température crée une inversion de température, ce qui signifie que la stratosphère est plus chaude que la troposphère située en dessous. Protection contre les rayonnements UV : La couche d'ozone stratosphérique joue un rôle crucial dans la protection de la vie sur Terre en absorbant la majeure partie du rayonnement ultraviolet (UV) du soleil, en particulier les rayons UV-B nocifs. Cela réduit les risques de dommages pour la santé humaine, tels que les coups de soleil, les cancers de la peau et les problèmes oculaires. Trou dans la couche d'ozone : Au cours des dernières décennies, des substances chimiques connues sous le nom de chlorofluorocarbones (CFC) et d'autres halocarbones ont été libérées L'importance de la couche d'ozone stratosphérique réside dans sa capacité à filtrer les rayons UV nocifs du soleil, protégeant ainsi la vie sur Terre. La réduction du trou dans la couche d'ozone est un objectif essentiel pour préserver la santé humaine, la biodiversité et les écosystèmes. Des accords internationaux, tels que le Protocole de Montréal, ont été mis en place pour réglementer l'utilisation des substances appauvrissant la couche d'ozone (SACO) et permettre la restauration de la couche d'ozone stratosphérique.  Le cycle de l'ozone Le cycle de l'ozone stratosphérique: stratosphérique est un processus complexe qui implique à la fois la formation et la destruction de l'ozone dans la stratosphère. Voici les principales étapes du cycle de l'ozone : Formation de l'ozone : Rayons UV du soleil (UV-C ou UV-B) frappent les molécules d'oxygène (O2) dans la stratosphère. Les molécules d'oxygène se séparent en atomes d'oxygène (O) par dissociation photochimique. Les atomes d'oxygène réagissent avec d'autres molécules d'oxygène pour former de l'ozone (O3). Destruction de l'ozone : Les molécules d'ozone peuvent être décomposées par des réactions catalytiques impliquant des substances chimiques d'origine humaine, comme les CFC et les halons. Les atomes de chlore (Cl) issus des CFC réagissent avec l'ozone, détruisant une molécule d'ozone et libérant une molécule d'oxygène. Les atomes d'oxygène (O) issus de la dissociation de l'ozone peuvent également réagir avec d'autres molécules d'ozone, entraînant la destruction de l'ozone. Régénération de l'ozone : Les molécules d'ozone peuvent être reformées par des réactions chimiques dans le cycle de Chapman. Les atomes d'oxygène réagissent avec les molécules d'ozone pour former deux molécules d'oxygène (O2) et régénérer l'ozone. Perturbation du cycle de Chapman a) Par les gaz naturels : Les gaz naturels, tels que le méthane (CH4) et le dioxyde de carbone (CO2), ne perturbent pas directement le cycle de Chapman de manière significative. Ces gaz sont présents en quantités naturelles dans l'atmosphère et ne réagissent pas directement avec l'ozone dans la stratosphère. Cependant, il convient de noter que les émissions de gaz à effet de serre, comprenant notamment le CO2, provenant de la combustion des combustibles fossiles, y compris les gaz naturels, contribuent au réchauffement climatique. Le réchauffement climatique peut avoir des effets indirects sur la couche d'ozone, notamment par le biais de modifications des conditions atmosphériques. Des études scientifiques suggèrent que le réchauffement de la troposphère (la couche atmosphérique inférieure) peut influencer la circulation atmosphérique et potentiellement perturber les schémas de transport des substances chimiques vers la stratosphère. Cela pourrait avoir un impact indirect sur le cycle de Chapman, bien que les mécanismes précis et l'ampleur de cette interaction ne soient pas complètement compris et font l'objet de recherches continues. b) Par les CFC : Les chlorofluorocarbones (CFC) ont un impact significatif sur le cycle de Chapman et la concentration d'ozone dans la stratosphère. Les CFC étaient largement utilisés dans diverses applications industrielles, telles que les réfrigérants, les aérosols et les mousses isolantes. Lorsque les CFC sont libérés dans l'atmosphère, ils peuvent atteindre la stratosphère où ils sont décomposés par les rayons UV, libérant des atomes de chlore (Cl) dans l'environnement. Les atomes de chlore sont des catalyseurs qui peuvent détruire de manière significative l'ozone. Ils réagissent avec les molécules d'ozone, entraînant sa décomposition. Cette destruction de l'ozone perturbe le cycle de Chapman en réduisant la concentration d'ozone disponible pour régénérer l'ozone. Cela entraîne une diminution nette de la quantité d'ozone dans la stratosphère, notamment au- dessus des régions polaires où se forment les trous d'ozone. Heureusement, des mesures internationales ont été prises pour réduire l'utilisation  Conclusion En résumé, la pollution atmosphérique reste un problème majeur qui nécessite une action mondiale immédiate. De multiples sources de pollution, qu'elles soient liées à l'activité humaine, à l'industrie ou au mode de vie, contribuent à la détérioration de la qualité de l'air et de la santé humaine, et pour corriger cette situation, des mesures fondamentales sont nécessaires, telles que le passage à des énergies propres, la mise en œuvre de technologies respectueuses de l'environnement. et sensibiliser le publique. https:// www.notre-environnement.gouv.fr/themes/clima t/article/les-emissions-de-gaz-a-effet-de-serre-et -l-empreinte-carbone http:// dx.doi.org/10.4267/pollution-atmospherique.57 48 https://unsplash.com/s/photos/air-pollution https:// www.nrdc.org/stories/air-pollution-everything-yo u-need-know https://en.wikipedia.org/wiki/Air_pollution Bibliographi e https://www.nationalgeographic.org/encyclopedi a/air-pollution / https://waqi.info/