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2018-2019 Projet Partenarial École des Sciences - Entreprise Aubert et Duval

L’AIR ET LES POLLUTIONS DE L’AIR

L’air et les pollutions de l’air

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TABLE DES MATIÈRES Préambule 3 Historique du projet 3 Des partenaires et un groupe de pilotage du projet 3 Des écoles engagées dans le projet 3

Class es participantes en 2018-2019 4

Éducation au développement durable : approches didactiques 5

Organigramme du projet 7

Quelques é léments d’his toire des sciences 8 La théorie des 4 éléments 8 Antoine Lavoisier 9 La qualité de l’air : quelques dates 10

L’air qui nous entoure : rappels pour le maitre 11 Composition et propriétés de l’air 11 Structure verticale de l’atmosphère 12

Pollutions de l ’air 13 Définition 13 Les origines des polluants de l’air 13 Les mécanismes de la pollution atmosphérique 14 Les pics de pollution 17 Les effets de la pollution 18 Les lichens : indicateurs de la pollution de l’air 19 La pollution de l’air intérieur 20

Proposition de déroulement de travail 21

L’air dans les programme s de cycle 3 22

Quelques é léments généraux de didactiques 25

Démarches pour la class e 26 Exemples de situations déclenchantes 26 Définitions du terme « pollution » 29 L’air est une matière 29 L’air est un mélange de gaz 35 Les polluants de l’air 39

Des moyens d’actions – Éducation au développement durable 44 Les transports ont-ils un impact sur la qualité de l’air ? 44 Que puis-je faire ? Comment préserver la qualité de l’air ? 48

Annexes 50 Propriétés physiques et chimiques de certains gaz 50 Distinguer fumée, brouillard et vapeur 50 Pollution de l’air 51 Bande dessinée 52 Lichens et pollution de l’air 53 Fiche de recherche 54


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PRÉAMBULE Historique du projet La fondation Jean Duval a signé une convention avec l’École des Sciences de Châteauneuf-les-Bains pour financer un projet avec l’aciérie Aubert et Duval des Ancizes au cours de l’année scolaire 2011-2012. L’entreprise Aubert et Duval aux Ancizes par l’intermédiaire de M Sylvain Dal-Molin (Ingénieur prévention des risques) ainsi que Mme Bernadette Demay (Fondation Jean Duval) sont les interlocuteurs du projet. Les thématiques de ce projet de partenariat ont toujours été liées à l’Éducation au Développement Durable : eau, sols et déchets. Pour l’année 2018/2019, le travail sera axé autour de l’air et de ses polluants. Des partenaires La Fondation Jean Duval a accordé une subvention de 3000 ! ; l’entreprise met à disposition les services de M Dal-Molin et de Mme Triadou et organise une visite de l’usine pour les enseignants participants. L’Inspection Académique du Puy de Dôme permet la formation de 6 enseignants du Bassin d’Emploi des Ancizes lors de 3 demi-journées. Eric Collard a collaboré à l’élaboration de ce guide dans le cadre de l’ESPE d’Auvergne. Eliane Lannareix (professeur retraitée de SVT, bénévole à l’École des Sciences) participe à l’accompagnement scientifique des classes et apporte son expertise sur les lichens, indicateurs de la qualité de l’air. Cyril Besseyre, référent territorial à Atmo Auvergne-Rhône-Alpes, intervient dans la formation des enseignants. Merci à Claire Dalmazzone, élève à l’école polytechnique, pour sa relecture attentive de ce guide. Et tous nos remerciements également à Claudine Martin car ce livret émane du travail qu’elle a initié en 2011. Un groupe de pilotage du projet Le groupe de pilotage composé de Noëlle Lacourt (École des Sciences), Eric Collard (ESPE d’Auvergne), Etienne Anquetil (conseiller pédagogique), Catherine Lenne (directrice de la Maison pour la Science en Auvergne) s’est chargé :

! d’élaborer le projet pédagogique à destination des classes engagées dans l’action, ! de constituer les malles de matériel qui accompagnent les documents de travail, ! d’organiser la formation des enseignants, ! d’assurer le suivi du projet.

Des écoles engagé es dans le projet 57 classes des circonscriptions de Riom Combrailles, Riom Limagne et Chamalières et une classe du collège de St Gervais d’Auvergne, toutes situées dans le bassin d’emploi des Ancizes, ont mis en œuvre le projet depuis 7 ans. Six nouvelles classes sont engagées dans cette huitième année de partenariat.


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CLASSES PARTICIPANTES EN 2018-2019

Établissements scolaires Enseignants Classes

École primaire Châteaugay

(Riom Limagne )

Marie Bosse CM1/CM2

École primaire Combronde

(Riom Combrailles )

Anne Epaminondas CM1

École primaire Saint-Eloy-les-Mines (Riom Combrailles )

Nicola Martinez CM1/CM2

École primaire Saint-Eloy-les-Mines (Riom Combrailles )

Yoann Le Quemener CM1/CM2

École primaire Saint Jacques d’Ambur

(Riom Combrailles)

Cindy Billon

CM1/CM2

École primaire Saint Priest des Champs

(Riom Combrailles)

Carole Moschetti CE2/CM1/CM2


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ÉDUCATION AU DÉVELOPPEMENT DURABLE : LES APPROCHES DIDACTIQUES – QUELLE EST LA VÔTRE ? Il existe plusieurs approches possibles de l’éducation au développement durable. La première approche dite comportementaliste, la plus ancienne au niveau chronologique, considère qu’Il est de la responsabilité des professionnels, forts de leur expertise, de transmettre leur savoir à la population qui adoptera alors les bons comportements, les « écogestes ». À condition que la sensibilisation ait été bien faite, le bon élève va comprendre les enjeux et suivre les prescriptions données par l’expert. Sinon il est considéré comme ayant un mauvais comportement, il est en faute. C’est une approche volontariste qui vise à faire adopter tel ou tel comportement décidé par l’expert.

Par rapport à cette approche, plusieurs éléments sont sujets à réflexion. Tout d’abord, on peut se poser la question de savoir si la connaissance des impacts de nos comportements suffit à elle seule pour induire le changement de comportement ou bien si elle n’est qu’un élément d’un système beaucoup plus complexe, qui prend en compte le milieu socio-culturel, la personnalité de chacun, les facteurs de la société qui facilitent ou freinent le changement, les compétences psycho-sociales telles que définies par l’OMS. D’autre part, ce qui peut apparaître comme étant un « bonne » solution à un certain moment ou dans un lieu précis peut se révéler beaucoup plus discutable ailleurs ou plus tard. De plus, les moyens utilisés dans cette approche sont plutôt de l’ordre de la contrainte morale, de la peur, de la compréhension, ce qui au final développe peu la responsabilité et la solidarité, et la capacité à savoir choisir. Enfin, cette approche n’est pas en correspondance avec la circulaire n° 2011-186 du 24-10-2011 sur l’éducation au développement durable à l’école qui mentionne : « La finalité de l'éducation au développement durable est de donner au futur citoyen les moyens de faire des choix en menant


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des raisonnements intégrant les questions complexes du développement durable qui lui permettront de prendre des décisions, d'agir de manière lucide et responsable, tant dans sa vie personnelle que dans la sphère publique. » L’approche écologique*, plus récente, s’appuie également sur une information objective, mais prend appui sur le développement de compétences : - psycho-sociales : savoir résoudre les problèmes, savoir prendre des décisions, avoir une pensée critique, avoir une pensée créatrice, savoir communiquer efficacement, être habile dans les relations interpersonnelles, avoir conscience de soi, avoir de l’empathie pour les autres, savoir gérer son stress, savoir gérer ses émotions ; - systémiques : ne pas envisager uniquement l’impact environnemental mais aussi social, et économique, ici et ailleurs, les inconvénients et avantages de tel ou tel comportement et ce qui inciterait ou non à leur suivre ; - en terme de responsabilité : Dans ce cadre le rôle du PE est d’accompagner les élèves dans leur réflexion sur la notion de bien commun, de solidarité, d’éthique, en recherchant ensemble les solutions les moins mauvaises. Ceci afin que chacun puisse choisir d’adopter tel ou tel comportement en connaissance de cause, par rapport à lui et aux autres. Si possible, cela débouche sur l’action, sur l’engagement personnel autonome à adopter tel ou tel comportement et à aider ceux qui ont fait le même choix à suivre ce même comportement.

* Le terme écologique est emprunté au domaine de la biologie pour signifier que cette approche prend en compte tous les éléments en interactions comme dans le fonctionnement d'un écosytème. Ce terme ne signifie pas que cette approche ne prend en compte que le volet environnemental du développement durable.

Source : Joëlle Perbet – professeur à l’ESPE (2015)


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ORGANIGRAMME DU PROJET Ce choix de thématique est en lien direct avec le contrôle de la qualité de l’air par l’entreprise Aubert et Duval, principal impact du site sur son environnement.

La pollution de l’air

Des moyens d’évaluer la qualité de l’air

Comment agir ?

Les conséquences de la pollution de l’air

L’origine des polluants de l’air

L’air

La matérialité de l’air

Les constituants de l’air

L’air est pesant

Les propriétés de l’air


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QUELQUES ÉLÉMENTS D’HISTOIRE DES SCIENCES

La théorie des 4 éléments

Certains philosophes grecs comme d'Empédocle au 5ème siècle av. J‑C., imaginent que la matière qui constitue le monde est composée de quatre éléments :

" La Terre " L'Eau " L'Air " Le Feu

FIGURE 1 : LES QUATRE ÉL ÉMENTS GRAVURE DE L'OUVRAGE DANIEL STOLZ VON STOLZENBERG, VIRIDARIUM CHYMICUM (1624) RÉPRÉSENTANT DE GAUCHE À DROITE

LES QUATRE ÉLÉMENTS : 'LA TERRE, L'EAU, L'AIR ET LE FEU. LES SPHÈRES DU BAS INDIQUENT LEUR REPRÉSENTATION EN ALCHIMIE.

Dans cette théorie la matière est constituée d’un ou plusieurs de ces éléments, en plus ou moins grande quantité. Ce qui expliquerait le caractère plus ou moins volatile, chaud, froid, humide, ou sec de chaque matière.

D’autres philosophes, comme Démocrite, imaginent que la matière est constituée de grains insécables en grec « a-tomos », qui ne peut être coupé.

Au Moyen Age, la théorie Aristotélicienne des quatre éléments fut mieux diffusée en occident. Les scolastiques du Moyen Age la reprirent à leur compte pour l’inclure dans la vision chrétienne du monde.

L’hypothèse particulaire, portée par Démocrite devra attendre le XVIIIe siècle pour renaitre avec Dalton.

Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Quatre_éléments Source primaire historique : Livre III d’Aristote – Météorologie

(http://remacle.org/bloodwolf/philosophes/Aristote/meteorologie.htm - III


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Antoine Laurent Lavoisier : l’air est un mélange de gaz Antoine Laurent Lavoisier un chimiste français du XVIIIe siècle (Né le 26 août 1743 à Paris, guillotiné le 8 mai 1794) a découvert que l’air est composé de deux gaz incolores, inodores qu’il nomme :

" OXYGENE le gaz indispensable à la respiration [(1783) Du préfixe oxy-, du grec ancien, oxus (« aigre, acide »), et du suffixe -gène du grec ancien gennan (« qui engendre »), c’est-à-dire « formeur d’acide »]. Lavoisier pensait que l’oxygène était la partie de l’air qui était source d’acidité (ce qui s’est révélé erroné par la suite).

" AZOTE: le gaz le plus abondant dans l’air. [Etymologie : (1787) Du radical grec ancien zot- (« pourvu de vie ») dérivant de, zoé (« vie »), accompagné du préfixe a- privatif. Il fut nommé ainsi par Antoine Lavoisier du fait que, contrairement à l'oxygène, il n’entretient pas la vie des animaux. (1, 3).]

A partir de cette époque l’air ne peut plus être considéré comme un élément chimique : c’est la fin de la théorie des éléments.

FIGURE 2 : ANTOINE LAURENT DE LAVOISIER

FIGURE 3 : EXPÉRIENCE DE DÉCOMPOSITION DE L'AIR

Dans son expérience, Antoine Laurent Lavoisier, isole l’azote de l’air, en oxydant du mercure sous une cloche fermée. En effet, la réaction d’oxydation utilise tout le dioxygène disponible enfermé sous la cloche, pour former de l’oxyde de mercure. Il obtient alors un volume d’azote correspondant à environ 4/5 du volume d’air introduit initialement. Attention : l’air n’est pas composé que d’oxygène et d’azote donc Lavoisier n’obtient pas de l’azote pur !

L’oxyde de mercure formé est récupéré puis chauffé. La réaction permet de retrouver de l’oxygène et du mercure. L’oxygène formé dans cette deuxième expérience correspond au 1/5 du volume d’air initial. En recombinant les 4/5 d’azote et les 1/5 d’oxygène il recompose exactement l’air. Cette expérience cruciale, montre sans appel que l’air ne peut être considéré comme un élément simple, mais qu’il s’agit d’un mélange. [ vidéo Youtube : « L’expérience de Lavoisier » : https://www.youtube.com/watch?v=surOJNts53E ]

Source étymologie: https://fr.wiktionary.org/wiki/Wiktionnaire:Page_d%E2%80%99accueil Sources primaires historiques : Traité élémentaire de chimie (texte sans illustration)

http://www.lavoisier.cnrs.fr/livres.html Traité élémentaire de chimie (texte avec illustrations)

http://fr.wikisource.org/wiki/Traité_élémentaire_de_chimie/Partie_1/Chapitre_3


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La qualité de l’air : quelques dates La chronologie ci-dessous permet de se rendre compte que la préoccupation des hommes pour la qualité de l’air ne date pas d’aujourd’hui…

" 61av.JC : Sénèque « Dès que j’aurai laissé derrière moi l’oppressant air de la ville et la puanteur des fumantes cheminées […], je me sentirai tout à fait un autre homme ».

" 1661 : John Evelyn, écrivain et chroniqueur anglais, dans un célèbre tract, s’inquiète de la qualité de l'air à Londres.

" 1810 : Décret impérial (du15/10/1810) relatif aux manufactures et ateliers qui répandent une odeur insalubre ou incommode.

" 1930 : Accident dans la vallée de la Meuse (1er au 5 déc.) – environ 50 personnes décédées et 1000 personnes souffrant de troubles respiratoires

" 1952 : Épisode du smog à Londres du 5 au 9 décembre – 12000 décès.

" 1980 : 1ère directive européenne concernant le SO2 et les particules en suspension.

" 1996 : Loi n° 96-1236 (du30décembre) sur l'air et l'utilisation rationnelle de l'énergie.

" 2003 : Épisode de canicule en France – 379 décès anticipés liés à l’ozone.

" 2010 : Loi Grenelle 2 et Plan particules.

" 2013 : Plan d’urgence pour la qualité de l’air en réponse aux contentieux européens en cours et/ou à venir.

Source : Cyril Besseyre – Atmo Auvergne-Rhône-Alpes

FIGURE 4 LA COLONNE NELSON DURANT LE GRAND SMOG DE LONDRES DE 1952(WIKIPEDIA)


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L’AIR QUI NOUS ENTOURE : RAPPELS POUR LE MAITRE

Composition de l’air

FIGURES 5 ET 4BIS : GRAPHIQUE REPRÉSENTANT LA COMPOSITION DE L'AIR SEC

L’air que nous respirons est essentiellement composé :

" de vapeur d’eau dont la quantité dépend de la température et des apports d’humidité, " d’air sec qui comporte de manière à peu près constante du diazote N2 (78%), du dioxygène

O2 (21%) et une très petite quantité d'autres gaz : argon (0,93%), dioxyde de carbone (0,034%), xénon, néon, hélium, krypton,…

Propriétés de l’air L’air est pesant, il a une masse de 1,293 g par litre (environ 1,3g par litre) dans les conditions normales de température et de pression. A 20°C, cette masse est égale à 1,204g par litre (environ 1,2g par litre). Remarques : Les conditions normales sont définies par : P0=1,013.105Pa (1bar) et T0=273K (0°C). L’air est un mélange de gaz et possède les propriétés des gaz :

" L’air est compressible : Si on enferme de l’air dans une enceinte hermétique comme une seringue, on peut diminuer son volume. Cela ne se fait pas sans que la pression de l’air augmente dans l’enceinte. Il en résulte une résistance à la compression, et une perception sensible du gaz invisible contenu dans la seringue.

[vidéo : De l’air enfermé dans une seringue résiste à la compression : https://www.youtube.com/watch?v=ENbaei3qsqE ]

" L’air est expansible : Si on enferme de l’air dans une enceinte hermétique comme une seringue, on peut augmenter son volume. Cela ne se fait pas sans que la pression de l’air diminue dans l’enceinte.

[vidéo : Compression et détente de l’air dans une seringue : https://www.youtube.com/watch?v=VN5LiTow0xQ]

" L’air est un excellent isolant thermique (par exemple, les duvets et vêtements en laine ne sont qu’un moyen de maintenir une couche d’air non renouvelée qui sera chauffée par le corps). De la même manière, dans le cas du double vitrage : l’air enfermé entre les deux vitres améliore l’isolement thermique par rapport à une vitre simple.

" L’air est moins dense que l’eau, et bien que les gaz qui le constituent se mélangent à l’eau,

leurs solubilités sont limitées. Par conséquent, lorsqu’on libère de l’air sous l’eau, celui ci remonte à la surface en faisant des bulles.

[vidéo : Transvasement d’air dans l’eau : « l’air ce n’est pas rien » : https://www.youtube.com/watch?v=_ozQ9fSKX2E]

" L’air existe à l’état liquide à -200°C - mélange de deux liquides : oxygène liquide et azote liquide. [vidéo : Généralité sur l’air liquide : https://www.youtube.com/watch?v=Bz1shE0Fxh8]


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Structure verticale de l’atmosphère L’air atmosphérique n’est pas réparti uniformément sur la surface de la Terre et peut se déplacer par écoulement d’un lieu à un autre ; ce courant d’air est ce que l’on appelle le vent. L’air atmosphérique se raréfie en altitude.

FIGURE 6 : STRUCTURE

VERTICALE DE L'ATMOSPHÈRE

[Structure verticale de l’atmosphère – Météo France : http://education.meteofrance.fr/lycee/animations/la-structure-verticale-de-latmosphere] Cette animation, permet de parcourir les différentes couches de l’atmosphère. L’animation nous informe sur l’évolution de la pression, de la température et le taux d’ozone en fonction de l’altitude.

FIGURE 7 : STRUCTURE VERTICALE DE L'ATMOSPHÈRE http://eduscol.education.fr/obter/appliped/circula/theme/atmos231.htm


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POLLUTIONS DE L’AIR

Définition La pollution atmosphérique est définie ainsi en France dans le code de l’environnement (article L220-2 du 12 juillet 2010) : « Constitue une pollution atmosphérique au sens du présent titre l'introduction par l'homme, directement ou indirectement ou la présence, dans l'atmosphère et les espaces clos, d'agents chimiques, biologiques ou physiques ayant des conséquences préjudiciables de nature à mettre en danger la santé humaine, à nuire aux ressources biologiques et aux écosystèmes, à influer sur les changements climatiques, à détériorer les biens matériels, à provoquer des nuisances olfactives excessives. » Plus simplement, un polluant atmosphérique peut être défini comme une substance présente à une concentration suffisamment supérieure à son niveau normal pour produire un effet néfaste mesurable sur l'homme, les animaux, les végétaux ou les matériaux.

Source : http://www.atmoauvergne.asso.fr/air/definitions.htm

FIGURE 8 : POLLUTION VILLE DE CLERMONT-FERRAND (CENTRE FRANCE – LA MONTAGNE)

Les origines des polluants de l’air Nous respirons chaque jour environ 15000 litres d'air, ce qui en fait le premier élément nécessaire à la vie. Pourtant les pollutions sont nombreuses et d’origines diverses. L'origine de la pollution atmosphérique peut être :

" naturelle : éruptions volcaniques, émissions des végétaux, zones humides... " anthropique (liée à l'activité humaine) : transports, agriculture, chauffage résidentiel,

émissions industrielles... Elles sont à l’origine d’émissions de polluants, sous forme de gaz ou de particules, dans l’atmosphère.


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Il existe deux catégories de polluants atmosphériques : " les polluants primaires, émis directement : monoxyde d’azote, dioxyde de soufre, monoxyde

de carbone, particules (ou poussières), métaux lourds, composés organiques volatils, hydrocarbures aromatiques polycycliques...

" les polluants secondaires issus de transformations physico-chimiques entre polluants de l’air sous l’effet de conditions météorologiques particulières : ozone, dioxyde d’azote, particules)… Le suivi de la pollution de l’air s’appuie sur la mesure et l’analyse des concentrations de ces différents polluants et de leurs variations dans le temps et l’espace.

Les mécanismes de la pollution atmosphérique Les processus qui régissent la pollution atmosphérique s'échelonnent en plusieurs étapes. Tout d'abord s'effectue l'émission des polluants (les polluants primaires), rapidement suivie de leur dispersion puis de la phase de transformation chimique, qui a lieu au sein même de l'atmosphère. Se forment alors les polluants secondaires.

FIGURE 9 : LE CYCLE DE LA POLLUTION ATMOSPHERIQUE (SOURCE : OPÉRATION SCOLAIRE AIRFOBEP)

" Origine des polluants primaires Les émissions de polluants ont une forte influence sur la qualité de l'air. Les polluants primaires, dont les oxydes d'azote, le dioxyde de soufre, le monoxyde de carbone, les particules en suspension et certains composés organiques volatils (COV), sont directement émis dans l'atmosphère. Ils proviennent aussi bien des sources fixes (chauffages urbains, activités industrielles, domestiques ou agricoles) que des sources mobiles, en particulier les automobiles. La production de polluants primaires diminue en été car les chauffages ne fonctionnent pas et la circulation automobile s'allège dans les centres-villes. Sur les quatre polluants pris en compte dans le calcul de l'indice ATMO, trois sont des polluants primaires. Il s'agit du dioxyde de soufre (SO2), du dioxyde d'azote (NO2) et des particules en suspension.


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Dioxyde de soufre Dioxyde d'azote Particules en suspension Origine Il provient essentiellement de

la combustion de combustibles fossiles contenant du soufre : fuels, charbon, ....

Il provient des installations de combustion (centrales thermiques, chaudières,...) et de la circulation automobile. La circulation automobile est actuellement la principale source d'émission en France

Elles peuvent être d'origine naturelle (volcanisme, érosion éolienne,...) ou anthropique (combustions industrielles ou domestiques, véhicules…)

Pollutions générées

Dans l'air il peut former de l'acide sulfurique qui contribue au phénomène des pluies acides et à la dégradation de la pierre et des matériaux de certaines constructions

Il intervient dans le processus de formation d'ozone dans la basse atmosphère. Il contribue également au phénomène des pluies acides par formation d'acide nitrique.

Les particules les plus fines (taille inférieure à 10 micromètres) peuvent transporter des composés toxiques (sulfates, métaux lourds, hydrocarbures, ...).et pénètrent profondément dans l'appareil respiratoire.

Effets sur la santé

C'est un gaz irritant et toxique qui est associé à diverses pathologies respiratoires. Il est notamment associé à des troubles asthmatiques et peut augmenter les symptômes respiratoires aigus chez l'adulte (toux, gène respiratoire), et altérer la fonction respiratoire chez l'enfant.

Il peut altérer la fonction respiratoire et provoquer une hyperréactivité bronchique chez l'asthmatique. Chez les enfants il peut augmenter la sensibilité des bronches aux infections microbiennes

Les fines particules peuvent, surtout chez l'enfant et les personnes sensibles, altérer la fonction respiratoire. Certaines particules sont mutagènes et cancérogènes

FIGURE 10 : LES POLLUANTS PRIMAIRES

" Transport et dispersion Le phénomène de dispersion, c'est-à-dire le déplacement des polluants depuis la source, est primordial puisqu'il détermine l'accumulation d'un polluant ou sa dilution dans l'atmosphère. La dispersion dépend de plusieurs paramètres dont les conditions météorologiques et la topographie locale (altitude, relief, cours d'eau…). Deux types de dispersion peuvent être distingués :

• la dispersion verticale : Elle dépend des différences de température de l’air entre les couches d’air proche du sol et celles plus en hauteur : - Si l’air proche du sol, réchauffée par le sol est plus chaud que l’air en altitude, alors le mouvement de la masse d’air est vertical vers le haut. - Si l’air proche du sol, est au contraire refroidi par le sol, alors le mouvement des masses d’air est vertical vers le bas.

Sol « chaud » : air ascendant Sol « froid» : air descendant Situation cyclonique Situation anti-cyclonique

FIGURE 11 : MOUVEMENT VERTICAL DE L'AIR


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Cas particulier des inversions des températures La température de l'air décroit habituellement avec l'altitude. Ceci permet une bonne dispersion verticale en favorisant l'ascension de masses d'air près du sol, celles ci étant plus chaudes, et donc plus légères.

Dans certains cas, on observe des inversions de température. On rencontre alors des couches d'air plus chaudes en altitude qu'au niveau du sol. Ceci freine la dispersion verticale des polluants. Les polluants se trouvent alors bloqués sous une "couche d'inversion" qui joue le rôle de couvercle thermique. Si, au même moment, il y a peu de vent, la pollution augmente dans des proportions importantes. Les inversions peuvent avoir diverses causes. Elles se produisent notamment par rayonnement, en hiver et par ciel clair. Le sol se refroidit de façon importante pendant la nuit et, au matin, la température de l'air près du sol est notablement plus faible que la température de l'air en altitude.

Cette situation, fréquemment observable dans plusieurs villes d'Auvergne, favorise des niveaux de pollution élevés car elle entraîne une accumulation des gaz au niveau du sol, et conduit ainsi à des pics de pollution. À l’inverse, une situation dépressionnaire, généralement associée à des vents plus sensibles, permet une bonne dispersion des polluants dans l'atmosphère. De plus, les précipitations, entraînant le dépôt humide des polluants (phénomène de lessivage), contribuent à la diminution des concentrations.

• la dispersion horizontale : Cette dispersion horizontale dénommée transport dépend de la

vitesse et de la direction du vent. Ainsi, une situation anticyclonique, caractérisée par des vents faibles, limite la dispersion horizontale.

" Transformations chimiques : synthèse des polluants secondaires Au cours de la dispersion, les polluants peuvent se transformer chimiquement pour former les polluants secondaires tels que l'ozone et certains composés organiques volatils.

• Un exemple de polluant secondaire (parmi les plus importants) : l'ozone

Origine Pollutions générées Effets sur la santé

Il résulte de la transformation photochimique de certains polluants dans l'atmosphère (Oxydes d’azote et Composés Organiques Volatils) en présence de rayonnement ultra-violet solaire. Sa présence s'accompagne de nombreux autres polluants (aldéhydes, acides,...)

L'ozone est l'un des principaux composants de la pollution dite "photo oxydante", et il contribue également au phénomène des pluies acides ainsi qu'à l'effet de serre.

Au-delà de certains seuils, c'est un polluant de l’air dangereux pour la santé. Il pénètre facilement jusqu'aux voies respiratoires les plus profondes. L’ozone peut alors altérer l'appareil pulmonaire, surtout chez les enfants et les asthmatiques. Les effets sont majorés par l'exercice physique et sont variables selon les individus.

L’ozone troposphérique, c'est-à-dire l'ozone des basses couches de l'atmosphère, est un polluant majeur qui provoque notamment des problèmes respiratoires. L'ozone troposphérique se développe plus intensément en période de temps chaud et ensoleillé : les concentrations en ozone sont ainsi plus élevées durant la période estivale. (C’est le « mauvais ozone ») Remarque : La production d'ozone nécessite un fort rayonnement solaire et la présence de certains précurseurs, tels que les composées organiques volatils. Des réactions mêlant polluants primaires et secondaires se produisent alors, la plus courante étant la réaction réversible entre l'ozone et les oxydes d'azote.

L’ozone situé dans la haute atmosphère, qui se forme par des mécanismes différents de l’ozone troposphérique, donne naissance à la couche d'ozone qui protège notre planète des rayonnements ultraviolets. (C’est le « le bon ozone »)

Source : Atmo Auvergne : http://www.atmoauvergne.asso.fr/fr/airs-et-polluants/polluants-surveilles/ozone-o3

FIGURE 12 : INVERSION DE TEMPÉRATURE


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Les pics de pollution On définit un épisode de pollution par une quantité trop élevée d’un ou de plusieurs polluants dans l’air, qui peuvent présenter un risque à court terme pour la santé et l’environnement. Ils dépassent alors les seuils réglementaires journaliers ou horaires.

Un épisode de pollution peut être dû : # aux conditions météorologiques : dans les situations stables où il y a peu ou pas de vent

(conditions propices à l’accumulation de polluants et aux transformations chimiques de leurs composants) ; lorsque l’air froid plaque les polluants à proximité du sol en période hivernale (pics particules et oxydes d’azote) ; lorsqu’il fait chaud et ensoleillé en période estivale (conditions propices à la formation d’ozone et de particules fines secondaires) ;

# à l’apport massif d’une pollution sous l’effet du vent ; # à l’augmentation saisonnière des émissions de polluants en lien avec certaines activités :

agricoles (ammoniac), chauffage domestique…

Les épisodes de pollution aux particules ont généralement lieu : # en hiver : à cette époque, les émissions du secteur résidentiel (particules issues de

l’utilisation du bois pour le chauffage) sont importantes et les conditions météorologiques peuvent être très stables ;

# autour des mois de février, mars et avril : les épandages agricoles d’engrais émettent de l’ammoniac dans l’air. Ce gaz se combine ensuite avec les polluants issus du trafic routier pour former des particules de nitrate d’ammonium. De plus, à cette époque, les conditions météorologiques peuvent être favorables à la formation de ce composé (températures froides le matin et douces l’après-midi). Ces émissions viennent s’ajouter aux émissions chroniques des activités industrielles et du trafic routier, d’où des pics de pollution aux particules à ces deux périodes de l’année.

SOURCE : OPÉRATION SCOLAIRE AIRFOBEP


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Les effets de la pollution " Quels sont les effets de la pollution de l’air sur la santé ?

L’air est indispensable à la vie, mais il peut avoir des effets nocifs si sa qualité est mauvaise. La pollution constitue un danger immédiat pour la santé, mais a également un effet qui s’amplifie au fil des années. Les personnes les plus sensibles, comme les enfants, les personnes âgées, les grands fumeurs, les malades du cœur ou des poumons, sont les plus concernées par la pollution atmosphérique. Pour celles-ci, la pollution peut favoriser des maladies, en aggraver certaines, et parfois même précipiter le décès. Les effets de la pollution sur la santé augmentent en fonction des concentrations des substances polluantes dans l’air et de la durée d’exposition. C’est la raison pour laquelle il est conseillé aux personnes sensibles, en cas d’épisode de pollution, de limiter leurs efforts physiques, de ne pas sortir de chez elles et, bien sûr, d’arrêter de fumer. $ A lire : le guide ATMO : la qualité de l’air en France. (L’air sous surveillance)

" Quels sont les effets de la pollution de l’air sur le climat ? • Les pluies acides : Ce sont des précipitations (pluie, neige, brouillard...) qui se sont

acidifiées au contact du dioxyde de soufre et de l'oxyde d'azote contenus dans l'atmosphère et émis surtout par les usines et les voitures. Elles peuvent tomber à des centaines de kilomètres du lieu d'émission des polluants. Elles affectent gravement les écosystèmes et certains matériaux utilisés dans les bâtiments.

Source : http://www.cite-sciences.fr/

FIGURE 13 : FORÊT DÉTRUITE PAR DES PLUIES ACIDES (RÉPUBLIQUE TCHÈQUE)

IMAGE BATIMENT (ENCARTA) - SOURCE (WIKIPÉDIA)

• Augmentation de l’effet de serre : L'effet de serre est un phénomène naturel important pour la survie de la planète. Surtout, il permet d'avoir une température moyenne sur terre de 15° Celsius, contre -18°C si cet effet n'existait pas. Certains gaz contenus dans l'atmosphère terrestre absorbent une partie des rayonnements infrarouges émis par le sol. Les plus importants naturellement sont la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et le méthane. L’augmentation de l’effet de serre, liée à l’émission de polluants comme le dioxyde de carbone, déplace un équilibre naturel et tend à élever la température moyenne de la Terre. Les climats sont modifiés.

Source : http://www.cea.fr/jeunes/ En premier lieu, c’est le niveau moyen de la mer qui est affecté par ce réchauffement. La dilatation thermique des océans ajoutée à la fonte des glaciers entrainent une élévation du niveau des océans ce qui diminue sensiblement la surface des terres émergées dans les régions basses et de faible relief, souvent très peuplées. En second lieu, les régimes de précipitations sont modifiés, avec des régions devenant plus arides et d’autres beaucoup plus arrosées. Une animation pour comprendre, à retrouver sur le site de la main à la Pâte : http://www.fondation-lamap.org/sites/default/files/upload/media/minisites/projet_climat/animations/effetDeSerre.swf


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FIGURE 14 : SCHÉMA EXPLICATIF DE L’EFFET DE SERRE

Les lichens : indicateurs de pollution de l’air Les lichens sont des organismes symbiotiques associant un champignon à une algue. Ils sont utilisés depuis plusieurs décennies pour évaluer la qualité de l’air.

" Les lichens : un champignon et une algue Les lichens sont des organismes symbiotiques constitués d'un champignon et d'une algue. Ces deux partenaires sont indispensables l'un à l'autre. Constituant près de 20 000 espèces sur Terre, ils peuvent coloniser tout type de milieux (par exemple le sol, les roches ou les arbres). Leurs caractéristiques biologiques les rendent fortement dépendant de l'atmosphère. Ils sont donc soumis aux polluants atmosphériques et sont susceptibles de disparaître dans les environnements trop impactés. Cela nous permet de les utiliser comme témoins de la qualité de l'air. Plusieurs approches ont été développées selon l'échelle étudiée.

Source : http://www.futura-sciences.com/planete/dossiers/environnement-lichens-temoins-pollution-

atmospherique-1900/


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La pollution de l’air intérieur Nous passons, en climat tempéré, en moyenne 85 % de notre temps dans des environnements clos, et une majorité de ce temps dans l’habitat : domicile, locaux de travail ou destinés à recevoir du public, moyens de transport, dans lesquels nous pouvons être exposés à de nombreux polluants, notamment des :

" polluants chimiques : composés organiques volatils (COV), oxydes d’azote (NOx), monoxyde de carbone (CO), hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), phtalates, etc.

" bio contaminants : moisissures, allergènes domestiques provenant d‘acariens, d’animaux domestiques et de blattes, pollens, etc.

" polluants physiques : particules et fibres (amiante, fibres minérales artificielles), etc. La présence de ces polluants est issue de différentes sources d’émission : constituants du bâtiment, du mobilier, appareils de combustion (chaudières, poêles, chauffe-eau, etc.), transfert de la pollution extérieure, mais dépend également des modes de vie (tabagisme ou présence d’animaux domestiques par exemple). La qualité de l'air que nous respirons peut avoir des effets sur la santé et le bien-être, depuis la simple gêne (olfactive, somnolence, irritation des yeux et de la peau) jusqu'à l’apparition ou l'aggravation de pathologies aigues ou chroniques : allergies respiratoires, asthme, cancer, intoxication mortelle ou invalidante, etc. Depuis quelques années, une attention croissante est donc portée à ce sujet, en témoigne la création par les pouvoirs publics, en 2001, de l’Observatoire de la qualité de l’air intérieur (OQAI).

Source : https://www.anses.fr/fr/content/qualit%C3%A9-de-l%E2%80%99air-int%C3%A9rieur


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PROPOSITION DE DÉROULEMENT DU TRAVAIL Pré requis nécessaire à construire ou à faire mobiliser : * les différents états de la matière * mélanges et solutions : distinguer 2 types de mélanges homogènes et hétérogènes – substances solubles et non solubles.

1. Séquence 1 : Présentation du projet : situations déclenchantes – émergence de la notion de pollution de l’air

Cela pourra faire l’objet d’une séance ! Exemples de situations déclenchantes

2. Séquence 2 : Qu’est-ce que l’air « propre » ?

Cela pourra faire l’objet d’au moins 4 séances C’est le cœur du sujet à travailler presque entièrement avec une investigation centrée sur l’expérimentation.

! Travail autour de la matérialité de l’air Les propriétés de l’air L’air est pesant

! De quoi est composé l’air « propre » ? Les constituants de l’air La découverte de la composition de l’air (histoire des sciences avec l’expérience de Lavoisier) que l’on peut reconstituer en classe de manière approchée. 3. Séquence 3 : La pollution de l’air

Cela pourra faire l’objet de 4 séances Le travail d’investigation sera centrée sur l’observation et la recherche documentaire

! Qu’est-ce-qui pollue l’air ? ! Pourquoi la pollution de l’air pose-t-elle problème ? Quelles sont les conséquences ? ! Comment sait-on que l’air est pollué ?

Les indices visuels dans notre environnement (lichens, les poussières déposées, les dégradations des bâtiments ou des forêts avec pluies acides …) Les sensations physiques Les dispositifs de contrôle de qualité de l’air

! Quels sont les polluants qui sont recherchés aux Ancizes ? Pourquoi ? 4. Et moi, que puis-je faire ? Éducation au choix éclairé

! Que fait l’aciérie des Ancizes pour limiter la pollution de l’air ? ! Comment chacun peut-il agir ?


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L’AIR DANS LES PROGRAMMES DE CYCLE 3

Compétences travaillées

" Adopter un comportement éthique et responsable (Domaines du socle : 3 et 5) % Relier des connaissances acquises en sciences et technologie à des questions de santé, de

sécurité et d’environnement. % Mettre en oeuvre une action responsable et citoyenne, individuellement ou collectivement, en et

hors milieu scolaire, et en témoigner.

" Pratiquer des démarches scientifiques et technologiques (Domaine du socle : 4) Proposer, avec l’aide du professeur, une démarche pour résoudre un problème ou répondre à une question de nature scientifique ou technologique : % formuler une question ou une problématique scientifique ou technologique simple ; % proposer une ou des hypothèses pour répondre à une question ou un problème ; % proposer des expériences simples pour tester une hypothèse ; % interpréter un résultat, en tirer une conclusion ; % formaliser une partie de sa recherche sous une forme écrite ou orale.

" S’approprier des outils et des méthodes (Domaine du socle : 2) % Choisir ou utiliser le matériel adapté pour mener une observation, effectuer une mesure, réaliser

une expérience ou une production. % Faire le lien entre la mesure réalisée, les unités et l’outil utilisés. % Garder une trace écrite ou numérique des recherches, des observations et des expériences

réalisées. % Organiser seul ou en groupe un espace de réalisation expérimentale. % Effectuer des recherches bibliographiques simples et ciblées. Extraire les informations pertinentes

d’un document et les mettre en relation pour répondre à une question. % Utiliser les outils mathématiques adaptés.

" Pratiquer des langages (Domaine du socle : 1) % Rendre compte des observations, expériences, hypothèses, conclusions en utilisant un

vocabulaire précis. % Exploiter un document constitué de divers supports (texte, schéma, graphique, tableau,

algorithme simple). % Utiliser différents modes de représentation formalisés (schéma, dessin, croquis, tableau,

graphique, texte). % Expliquer un phénomène à l’oral et à l’écrit.

" Mobiliser des outils numériques (Domaine du socle : 2) % Utiliser des outils numériques pour : communiquer des résultats, traiter des données, simuler des

phénomènes, représenter des objets techniques. % Identifier des sources d’informations fiables.


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Éléments du programme de cycle 3

Matière, mouvement, énergie, information :

Connaissances et compétences associées Exemples de situations, d’activités et de ressources pour l’élève

Décrire les états et la constitution de la matière à l’échelle macroscopique

Mettre en œuvre des observations et des expériences pour caractériser un échantillon de matière.

• Diversité de la matière : métaux, minéraux, verres, plastiques, matière organique sous différentes formes…

• L’état physique d’un échantillon de matière dépend de conditions externes, notamment de sa température.

• La masse est une grandeur physique qui caractérise un échantillon de matière.

Mettre en œuvre un protocole de séparation de constituants d’un mélange.

• La matière qui nous entoure (à l’état solide, liquide ou gazeux), résultat d’un mélange de différents constituants.

Observer la diversité de la matière, à différentes échelles, dans la nature et dans la vie courante (matière inerte –naturelle ou fabriquée –, matière vivante).

La distinction entre différents matériaux peut se faire à partir de leurs propriétés physiques (par exemple : densité, conductivité thermique ou électrique, magnétisme, solubilité dans l’eau, miscibilité avec l’eau…) ou de leurs caractéristiques (matériaux bruts, conditions de mise en forme, procédés…)

L’eau et les solutions aqueuses courantes (eau minérale, eau du robinet, boissons, mélanges issus de dissolution d’espèces solides ou gazeuses dans l’eau…) représentent un champ d’expérimentation très riche. Détachants, dissolvants, produits domestiques permettent d’aborder d’autres mélanges et d’introduire la notion de mélange de constituants pouvant conduire à une réaction (transformation chimique).

Le vivant, sa diversité et les fonctions qui le caractérisent


Expliquer l’origine de la matière organique des êtres vivants et son devenir

Relier les besoins des plantes vertes et leur place particulière dans les réseaux trophiques : Besoins des plantes vertes.

Identifier les matières échangées entre un être vivant et son milieu de vie : Besoins alimentaires des animaux

Les études portent sur des cultures et des élevages ainsi que des expérimentations et des recherches et observations sur le terrain.

Repérer des manifestations de consommation ou de rejets des êtres vivants.

À partir des observations de l’environnement proche, les élèves identifient la place et le rôle des végétaux chlorophylliens en tant que producteurs primaires de la chaîne alimentaire.

Matériaux et objets techniques


Repérer et comprendre la communication et la gestion de l’information

• Environnement numérique de travail. • Usage des moyens numériques dans un

réseau. • Usage de logiciels usuels.

Les élèves apprennent à connaître l’organisation d’un environnement numérique. Ils exploitent les moyens informatiques en pratiquant le travail collaboratif. Les élèves maîtrisent le fonctionnement de logiciels usuels et s’approprient leur fonctionnement.


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La planète Terre. Les êtres vivants dans leur environnement


Situer la Terre dans le système solaire et caractériser les conditions de la vie terrestre

Relier certains phénomènes naturels (tempêtes, inondations, tremblements de terre) à des risques pour les populations.

• Phénomènes traduisant l’activité externe de la Terre : phénomènes météorologiques et climatiques ; évènements extrêmes (tempêtes, cyclones, inondations et sècheresses...).

Réaliser une station météorologique, une serre (mise en évidence de l’effet de serre).

Exploiter les outils de suivi et de mesures que sont les capteurs (thermomètres, baromètres...).

Mener des démarches permettant d’exploiter des exemples proches de l’école, à partir d’études de terrain et en lien avec l’éducation au développement durable.

Identifier les enjeux liés à l’environnement

Répartition des êtres vivants et peuplement des milieux

Relier le peuplement d’un milieu et les conditions de vie.

• Modification du peuplement en fonction des conditions physicochimiques du milieu et des saisons.

Identifier quelques impacts humains dans un environnement (aménagement, impact technologique...).

• Aménagements de l’espace par les humains et contraintes naturelles ; impacts technologiques positifs et négatifs sur l’environnement.

Travailler à partir de l’environnement proche et par des observations lors de sorties. Utilisation de documents.

Relier les besoins de l’être humain, l'exploitation des ressources naturelles et les impacts à prévoir et gérer (risques, rejets, valorisations, épuisement des stocks).

Travailler à travers des recherches documentaires et d’une ou deux enquêtes de terrain. Prévoir de travailler à différentes échelles de temps et d’espace, en poursuivant l’éducation au développement durable.


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QUELQUES ÉLÉMENTS GÉNÉRAUX DE DIDACTIQUE

La plupart des élèves n’ont pas attendu d’être sur les bancs de l’école, et d’avoir construit des connaissances scientifiques pour se forger une explication des phénomènes naturels observés dans la vie de tous les jours.

Nous sommes souvent confrontés au fait que les élèves ont des réponses à tout. On constate que les enfants se sont construit un certain nombre de réponses, qu’ils ont élaboré des raisonnements, fruits de leurs expériences sensibles et de la façon dont ils interprètent les phénomènes observés dans leur concret quotidien.

Dans les classes, nous sommes confrontés à des enfants qui possèdent en eux tout un patrimoine de connaissances, et qui sont donc susceptibles de mettre en œuvre des raisonnements qui sans être scientifiques n’en ont pas moins deux particularités remarquables.

Dans le domaine d’expérience cerné par les élèves, ces raisonnements sont plutôt cohérents et très opérationnels. En fait, comme ces raisonnements n’ont pas été déstabilisés, les élèves les considèrent comme performants. La confrontation de ces raisonnements avec les savoirs scientifiques est donc essentielle.

Pour cela, les didacticiens ont travaillé pour mettre à jour les raisonnements naturels spécifiques dans la plupart des domaines enseignés à l’école. Ces travaux ont pu être menés car il existe des grandes tendances de raisonnements, et aussi parce que ces raisonnements sont partagés par beaucoup d’individus quels que soient leurs origines et leur pays. On sait aujourd’hui, que si ces raisonnements ne sont pas pris en compte chez l’enfant, ils peuvent se retrouver inchangés chez l’adulte.

Par exemple, les enfants ont des difficultés à concevoir l’air comme de la matière. C’est ce qu’on appelle le primat de la perception : pour la très grande majorité des enfants, ce qui ne se voit pas n'existe pas. Par conséquent, le caractère invisible de l’air va empêcher les élèves de penser que l'air peut être transvasé, qu’il peut porter ou transporter des objets ou qu’il ne peut pas être comprimé à l'infini. C'est à dire que l'air oppose à un moment donné de la résistance à la compression. Les enfants vont donc avoir du mal à envisager des phénomènes qui mobilisent les propriétés matérielles de l'air comme ils le feraient pour les liquides et les solides. Pour eux, comme l'air est invisible, il ne peut avoir les mêmes propriétés que la matière liquide ou solide.

La démarche d’investigation avec construction de nécessités Cette démarche a été caractérisée par Christian Orange. Sa principale caractéristique est que les élèves, consécutivement à une situation de départ comportant des éléments venant directement du réel (observation de faits) et des connaissances (savoirs déjà construits et remobilisés), vont être invités à produire des premiers modèles explicatifs. Ces modèles sont analysés et montrent l’existence plus ou moins implicite d’un certain nombre de nécessités, ou /et permettent de construire l’existence de nécessités (= caractéristiques, systèmes indispensables du modèle explicatif en train de se construire, pour que celui-ci soit cohérent avec le réel et les connaissances déjà acquises, donc qu’il soit possible). La construction de ces nécessités permet de s’interroger sur la nature des systèmes nécessaires, (qui correspond à phase de construction de nouveaux problèmes scientifiques) puis de proposer des hypothèses qui seront testées. Le principal avantage de ce modèle didactique est que les élèves construisent des savoirs dits apodictiques, c'est-à-dire que les élèvent construisent les raisons, les arguments de la science en sachant pourquoi les modèles explicatifs sont « comme cela et pas autrement ». C’est une construction du savoir dans une réflexion sur ce qui est possible/ impossible et nécessaire plutôt dans une recherche du vrai/ faux.


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DEMARCHES POUR LA CLASSE

Exemples de situations déclenchantes Plusieurs entrées dans le projet sont proposées. Beaucoup d’autres situations déclenchantes peuvent être utilisées en fonction de la vie de la classe, de l’apport des élèves, de l’actualité locale…

" Situation déclenchante n°1 : Article du journal La Montagne. Représentation des élèves sur les origines de cette pollution atmosphérique.

21 janvier 2017 – La Montagne

POLLUTION DE L'AIR : LA PRÉFECTURE DU PUY-DE-DÔME DÉCLENCHE LA PROCÉDURE D'INFORMATION ET DE

RECOMMANDATION

Illustration brume pollution sur Clermont Ferrand le 15 décembre 2016

photo Francis Campagnoni © Francis CAMPAGNONI La préfecture du Puy-de-Dôme a déclenché le premier degré de réponse dans le cadre du dispositif relatif aux épisodes de pollution atmosphérique.

Le niveau des concentrations en particules fines dans le Puy-de-Dôme est, depuis ce vendredi 20 janvier, suffisamment élevé pour déclencher une procédure d'information et de recommandation, selon la préfecture du Puy-de-Dôme. Cette dernière estime dans un communiqué que les conditions météorologiques devraient rester stables jusqu'au début de la semaine du 23 janvier, "ce qui laisse supposer le maintien d'une qualité de l'air relativement dégradée dans ce département pendant plusieurs jours."

Pour les femmes enceintes, les nourissons et jeunes enfants, personnes de plus de 65 ans, celles souffrant de pathologies cardiovasculaires, d'insuffisance cardiaque ou respiratoire, les personnes asthmatiques, ainsi que toute personne sensible aux épisodes de pics de pollution, la préfecture fait une série de recommandations.

Elle conseille notamment de limiter les déplacements sur les grands axes routiers et à leurs abords aux périodes de pointe, et de limiter les activités physiques et sportives intenses. En cas de symptômes ou d'inquiétude, la préfecture recommande aux personnes de prendre conseil auprès de leur pharmacien ou de consulter un médecin.


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" Situation déclenchante n°2 : Publicité vantant les performances écologiques d’un véhicule.

Pourquoi le constructeur de voiture choisit la version 1 plutôt que la version 2 pour faire sa publicité?


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" Situation déclenchante n°3 : Étude d’un logo que l’on retrouve sur les emballages de

certains produits pour la maison : peinture, lasure…

Que veut dire ce logo ? Comment ce produit peut entrer en contact avec l’air et être dangereux pour les habitants de la maison ? Recueillir les représentations des E.

" Situation déclenchante n°4 : Observation d’une photo ou « en vrai » d’une girafe

ATMO à Clermont-Ferrand.

Quel est cet objet ? A quoi sert-il ? Dans tous les cas, ces situations déclenchantes serviront à faire émerger les représentations des élèves. Ils peuvent travailler de façon individuelle, en binôme par écrit (textes, dessins, schémas…) ou à l’oral. Les élèves expriment leurs idées à toute la classe et relèvent avec l’aide du maitre, les principales représentations : deux notions vont émerger et être reliées : pollution et air. Un travail sur ces deux éléments va alors être initié.


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Définitions du terme « pollution » L’idée de pollution apparaissant dès la première séance, une première information devra être donnée aux élèves par le maître : la définition de « pollution ».

" Pollution (définition de la Directive Européenne 2000/60/CE du 23 octobre 2000) : " introduction directe ou indirecte, par suite de l'activité humaine, de substances ou de chaleur dans l'air, l'eau ou le sol, susceptibles de porter atteinte à la santé humaine ou à la qualité des écosystèmes aquatiques ou des écosystèmes terrestres, qui entraînent des détériorations aux biens matériels, une détérioration ou une entrave à l'agrément de l'environnement ou à d'autres utilisations légitimes de ce dernier ".

" Pollution de l’air : Selon la Loi sur l’air et l’utilisation rationnelle de l’énergie de 1996, la pollution atmosphérique, ou pollution de l'air, est définie comme : ''l’introduction par l’homme, directement ou indirectement, dans l’atmosphère et les espaces clos, de substances ayant des conséquences préjudiciables de nature à mettre en danger la santé humaine, à nuire aux ressources biologiques et aux écosystèmes, à influer sur les changements climatiques, à détériorer les biens matériels, à provoquer des nuisances olfactives''.

L’air est une matière Les différentes activités proposées permettent de mettre en place un savoir commun à tous les élèves sur l’air.

" Dès le cycle 1… l’air en mouvement et l’air se transvase • Le vent, l’air en mouvement

Dés le cycle 1, les élèves apprennent à reconnaître les situations où l’air est en déplacement (vent). L’air mis en mouvement peut agir sur les objets, et ces mêmes objets peuvent mettre l’air en mouvement. La construction de la matérialité est basée sur la comparaison avec des matières plus visibles. Ainsi, il ne s’agit pas simplement de fabriquer des moulins à vent, mais plutôt de comparer le moulin à sable, et à eau, pour exprimer le fait que l’air agit comme le sable, et comme l’eau sur la roue du moulin. $ A lire: http://www.fondation-lamap.org/fr/page/11322/le-vent-le-souffle-lair-en-mouvement

• L’air se transvase Il y a des points communs entre l’eau liquide, le sable solide et l’air gazeux. Ces matières peuvent se transvaser. On peut avec des élèves de cycle 1 et 2 envisager de travailler sur le transvasement de l’air. Bien entendu, la comparaison avec d’autres matières reste tout à fait valable, et devra tout au long des apprentissages constituer « un fil rouge », à suivre. Attention cependant à ne pas précipiter les choses, ce n’est pas parce qu’on voit des bulles sous l’eau que l’enfant va reconnaître de l’air.

Construire une nouvelle connaissance qui pourra servir à reconnaitre la présence d’air… Un sachet antichoc est percé, l’air qui s’échappe quand on presse le sachet peut pousser une bille en bois.


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Placé sous l’eau l’air qui s’échappe du sachet fait des bulles. On peut alors associer la formation des bulles sous l’eau au dégagement d’air. Cette nouvelle connaissance pourra alors servir à reconnaitre l’air dans d’autres situations.

" À partir du cycle 2… reconnaitre l’air immobile Si on tente de comprimer un gaz contenu dans une enceinte fermée, on va ressentir

l’opposition qu’exerce le gaz à la compression. La consistance du sachet en plastique fermé, la réaction qu’exerce le piston de la seringue lorsqu’on comprime l’air ou le fait qu’un verre retourné sur la cuve à eau ne remplisse pas d’eau, laisse supposer la présence de matière à l’intérieur des enceintes. Encore faut-il vérifier l’hypothèse, en s’appuyant sur ce que savent à priori les élèves : pour eux n’oublions pas, que l’air est associé au vent et reconnu à travers ses effets.

De nombreuses expériences peuvent être proposées, mais attention, toujours en demandant de prévoir ce qui va se passer et d’essayer de dire pourquoi (la demande d’explication dépend de l’âge des enfants) et enfin, lorsque l’expérience est réalisée, de demander « comment peut-on expliquer ce que l’on a vu ? ». Mais cela suffit-il ? Bien souvent non car il est souvent nécessaire d’envisager une expérience, qu’elle soit proposée par l’adulte ou par les enfants où l’on verra des effets, comme du vent ou des bulles. On met alors un enseignement des sciences fondé sur l’investigation dans un modèle PACS : Prévision – Argumentation – Confrontation - Synthèse

Comment déterminer la nature des bulles qui se forment sous l’eau ?

Quand de jeunes élèves sont interrogés sur les bulles qui se forment sous l’eau, lorsqu’ on retourne un verre à l’envers dans un bac à eau par exemple, et qu’on laisse l’eau pénétrer dans le verre. Ceux-ci ne voient pas spontanément de l’air, mais des bulles ! Comme elles se forment sous l’eau, les élèves vont même dire que ce sont des bulles d’eau. Pour qu’on puisse réaliser cette association, il nous paraît essentiel de reconnaître la nature de ce qui se trouve dans le récipient avant de le plonger sous l’eau et de faire les bulles. C’est la raison pour laquelle, l’utilisation de sachets d’air est intéressante. Car en dehors de l’eau, on peut montrer que l’air qui s’échappe du sachet comprimé, est capable d’exercer des actions mécaniques sur d’autres objets. On peut mettre en mouvement un moulin, pousser une bille, …Quand on a pu mettre en évidence que de l’air sort du sachet, alors on plonge le sachet sous l’eau et les bulles observées peuvent être associées à l’air…


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L’expérience de la seringue que l’on bouche avec le doigt. Quand on essaie de pousser le piston, on y arrive un peu (l’air est un peu compressible) puis on sent une résistance et enfin on ne peut plus pousser : il y a donc quelque chose dans la seringue qui prend de la place, place qu’il est impossible de réduire (on dit que l’on ne peut pas le « comprimer » davantage, mais c’est un terme à utiliser avec prudence avec les enfants). Par ailleurs, si on met la seringue dans l’eau et que l’on retire son doigt, on peut pousser le piston

L’air exerce des forces ou agit sur des objets lorsqu’il est en mouvement : exemple du tube à patates (tube transparent avec à chaque extrémité un bouchon de pomme de terre). Que va-t-il se passer lorsqu’à l’aide d’une tige, on appuie sur l’un des bouchons ? ». Après que chaque enfant ait écrit sa prévision, faire l’expérience et comprendre ce qui s’est passé. L’air transmet un mouvement comme un liquide ou un solide. On peut d’ailleurs proposer la même situation en mettant de l’eau à la place de l’air.

• L’air mis en mouvement déplace les objets • L’air fait des bulles qui remontent à la surface sous l’eau • L’air occupe de la place que l’on peut un peu compresser

$ A lire : http://www.fondation-lamap.org/fr/page/17973/comment-enseigner-lair-du-cycle-1-au-cycle-3 http://www.fondation-lamap.org/fr/page/11933/comment-enseigner-la-materialite-de-lair


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" À la fin du cycle 3… l’air a une masse, il peut se mélanger à d’autres substances (gaz, liquide, solide)

La masse est un concept qui met du temps à se construire. La masse d’abord confondue avec le volume, ne peut être envisagée par l’enfant que si la est perception qu’il en a est suffisante. Même dans un rapport plus empirique au monde, lorsqu’on utilise une balance Roberval, comme la masse de l’air est difficile à mesurer, cela renforce l’obstacle tendant à considérer l’air comme immatériel. Pour autant, cela constitue un objectif obstacle intéressant, permettant, là encore, la mise en œuvre d’une démarche d’investigation PACS. PACS : Comment évolue la masse d’un ballon de volley lorsqu’on le dégonfle ?

On tare le ballon gonflé à l’aide d’un récipient rempli d’eau.

On dégonfle le ballon en montrant que l’air qui sort du ballon a bien les propriétés qu’on lui connait.

On reproduit les expériences qui permettent d’identifier l’air qui sort du ballon comme un rappel de ce qui a été vu auparavant afin de faire le lien entre les expériences. Par exemple, l’air qui s'échappe met en mouvement des objets.

Prévision et Argumentation : Les élèves doivent prévoir et justifier leurs prévisions. « Comment évolue la masse d’un ballon de volley lorsqu’on le dégonfle ? »

Confrontation : Peser le ballon après avoir vidé une partie de l’air contenu dans le ballon. Remarque : celui-ci doit toujours la même forme qu’au départ pour que la poussée d’Archimède soit constante.

Rappel définition de la poussée d’Archimède

Quand on plonge un objet dans un fluide comme l’eau ou l’air, ce fluide exerce une force qui s’oppose au poids de l’objet. Cette force est appelé la "Poussée d’Archimède". Cette force est due à la pression du fluide qui s’exerce sur la totalité de l’objet. Elle est plus importante à la base qu’au sommet de l’objet. Quand un bateau est mis à l’eau, il subit exactement les mêmes forces. D’un côté il y a son poids qui l’entraine vers le bas et de l’autre, la poussée d’Archimède qui le pousse vers le haut.


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Dans l’état final, le ballon pèse moins lourd.

Lorsqu’à la fin, nous proposons aux élèves de prévoir comment l’équilibre de la balance va évoluer lorsqu’on dégonfle le ballon de volley. On espère que les élèves vont en grande majorité concevoir que l’air a une masse.

Synthèse : La confrontation des prévisions à la réalité permettra aux élèves de faire le point sur leurs raisonnements.

Penser et agir pour changer ses représentations : On demande aux élèves, d’équilibrer à nouveau la balance… en expliquant comment ils s’y prennent. Deux possibilités :

o Rajout de matière du côté du ballon (Ce n’est pas très pratique) o Suppression de matière sur le plateau de la tare.

Dans chaque cas, on pourra comparer la masse de l’air qui s’est échappé à un équivalent matériel solide ou liquide.

Remarquons que la différence de masse entre les deux états peut atteindre 9g… la masse de 9mL d’eau. Au collège, les élèves continueront de travailler sur l’air. En modélisant la structure granulaire de la matière de la matière à l’échelle des atomes, et en faisant des correspondances entre le modèle particulaire et les propriétés observables. Ils pèseront la masse d'un litre d’air dans les conditions normales de température et de pression.

Un objet matériel a une masse Ici encore, la masse de l’air qui s’est échappée du ballon est comparée à la masse de l’eau équivalente. Nous adoptons la même stratégie que dans les phases précédentes qui constitue le fil rouge d’un apprentissage de la matérialité de l’air. Tant que possible, mettre l’accent sur les propriétés de l’air communes à d’autres matières.

En prélevant une partie de la tare, on refait l’équilibre.

L’eau de la tare prélevée correspond à la même masse que l’air qui s’est échappé.


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Remarques : Seuls les objets matériels sont susceptibles d’exercer des actions mécaniques sur d’autres objets. Ces actions mécaniques peuvent s’exercer par contact, ou à distance (ex : les aimants, ou la pesanteur). Même immobiles (on dit : « à l’équilibre »), les liquides et les gaz exercent une action mécanique vers le haut sur les objets qui y sont plongés : la poussée d’Archimède existe dans les liquides et les gaz. (bateau, sous-marin, et montgolfières).

[vidéo : Bateau qui flotte dans un gaz : https://www.koreus.com/video/bateau-flotte-gaz.html]

Enfin, les substances gazeuses peuvent se mélanger à d’autres matières, l’air se dissout dans l’eau et permet ainsi la respiration des animaux aquatiques. Les gaz sont miscibles entre eux, tout comme certains liquides incolores le sont.

Le bateau en aluminium flotte sur un gaz très dense (hexafluorure de soufre).


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L’air est un mélange de gaz Ci dessous, on vous propose des activités expérimentales qui peuvent être intégrées à un scénario pédagogique.

" Expérience : l’air est un mélange La corrosion du fer est une réaction chimique qui nécessite la présence de 3 réactifs : le fer, l’eau et le dioxygène. La réaction chimique est favorisée (catalysée) par la présence de sel. Il est impossible, en milieu scolaire de reproduire la même expérience que Antoine Laurent Lavoisier pour mettre en évidence la composition de l’air. Par contre, l’expérience de corrosion du fer, va nous permettre « d’absorber » le dioxygène, et ne laisser sous la cloche que le diazote de l’air. Cadre : Mettre en évidence que l’air qui nous entoure est un mélange, reproduire dans l’esprit l’expérience réalisée par Antoine Laurent Lavoisier Durée : 3 jours Matériel :

• Bouteille en plastique • Laine de fer • Eau salée • Éprouvette graduée et réglet métallique • Cuve à eau

Objectif visé : L’expérience n°1, met en évidence une variation du volume des gaz contenus dans la bouteille. L’expérience n°2 permet de mesurer le volume de gaz qui a réagi avec le tampon de laine de fer et l’eau. Tout se passe comme si le tampon avait « absorbé» le dioxygène dans la bouteille.

• Expérience n°1 On enferme un tampon de laine de fer préalablement plongé dans de l’eau salée dans une bouteille souple transparente (soda). Variante de l’expérience : on ferme la bouteille avec un ballon de baudruche. On attend un jour ou deux. Que voit-on ? Après un jour ou deux la bouteille est écrasée par l’air extérieur. Le fer a rouillé. Au bout de 3 jours, il n’y a plus aucune transformation. La bouteille ne se déforme pas davantage.

• Expérience n°2 Pour évaluer le volume de dioxygène qui est absorbé, on utilise une éprouvette en verre au fond de laquelle, un tampon de laine de fer mouillé avec de l’eau salée est déposé. On retourne l'éprouvette sur la cuve à eau. Au bout de trois jours, le niveau de l’eau monte dans l’éprouvette.


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Suggestion : on peut repérer à des intervalles réguliers de temps la hauteur de l’air et de l’eau dans l’éprouvette. En plaçant les rectangles obtenus côte à côte, on obtient un graphique qui représente l’évolution de la disparition du gaz dans l’éprouvette.

FIGURE 154 : L'EAU MONTE DANS L'ÉPOUVETTE

Que voit-on ?

FIGURE 165 : LE VOLUME DE GAZ DIMINUE DE 4/5 DU VOLUME INITIAL ENVIRON

En réalisant cette expérience, on peut voir que l’eau arrête de monter dans l’éprouvette quand le volume du contenu a diminué de 1/5 environ… Reste à vérifier que dans l’éprouvette, il reste un gaz, qui ne permet pas la combustion des bougies... Cette expérience permet, un peu comme Lavoisier l’a fait de déterminer que l’air est un mélange. Car il existe un fluide qui est détruit dans la transformation, qui permet la formation de la rouille, et un autre fluide, qui semble n’avoir aucun rôle dans cette transformation.

[vidéo : Mesurer l’oxygène de l’air : http://www.cea.fr/comprendre/jeunes/Pages/6-12-ans/videos-experiences/sciences-de-la-terre/dispositif-mesurer-oxygene.aspx]


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" Expérience : synthèse du dioxyde de carbone et identification

[vidéo : CO2 mon amour : http://www.wikidebrouillard.org/index.php?title=CO2_mon_amour_! - De_mani.C3.A8re_simple]

Cadre : Découverte de différents gaz incolores. Vérifier que l’air sec ne contient que très peu de dioxyde de carbone. Durée : " h Matériel :

• Bicarbonate de soude ou bicarbonate de sodium (Se trouve en supermarché, rayon alimentaire, ou parapharmacie)

• Vinaigre blanc • Eau de chaux pour identification.

Objectifs visés : Il existe beaucoup de substances incolores dont l’état est gazeux dans les conditions standard de température et de pression. Le dioxyde de carbone est une de ces substances. Souvent les élèves pensent que dans l’air, il y a du dioxyde de carbone en grande quantité. Cette expérience permet de vérifier que de l’air sec, ne contient que très peu de dioxyde de carbone. Lexique : dioxyde de carbone, bicarbonate de soude, eau de chaux Description de l’expérience : On observe une effervescence, lorsque le vinaigre entre au contact du bicarbonate de sodium. Le mélange de vinaigre et de bicarbonate de sodium réagit pour former une nouvelle substance à l’état gazeux : le dioxyde de carbone. Mise en évidence :

• Quand on place une allumette dans du dioxyde de carbone gazeux, elle s’éteint. (Principe de certains extincteurs) - Le dioxyde de carbone n’entretient pas les combustions

• Il existe également un test chimique qui permet de d’identifier le dioxyde de carbone : (L’eau de chaux devient trouble au contact du dioxyde de carbone). Le dioxyde de carbone réagit avec l’eau de chaux pour former un précipité blanc de carbonate de calcium. (Calcaire)

Préparation de l’eau de chaux Mélanger de la chaux vive avec de l’eau, (la chaleur dégagée est l'indice d'une réaction chimique) laisser reposer et filtrer. On obtient une suspension, le "lait de chaux". Laisser décanter... Filtrer. Le filtrat est une solution parfaitement limpide: l'eau de chaux, qu’il faut conserver dans un flacon fermé


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" Expérience : synthèse de l’oxygène et identification

[vidéo : Oxygène: http://www.wikidebrouillard.org/index.php?title=Oxygène] Cadre : Découverte de différents gaz incolores. Durée : ! h Objectif visé : Il existe beaucoup de substances incolores dont l’état est gazeux dans les conditions standards de température et de pression. Le dioxygène est une de ces substances. Matériel :

• Permanganate de potassium (Le permanganate de potassium est utilisé pour désinfecter, il est vendu en pharmacie en sachet de 1g à diluer).

• Eau oxygénée (On en trouve en pharmacie ou au supermarché au rayon parapharmacie.) • Récipient et couvercle • Pic en bois

Lexique : dioxygène (oxygène), Permanganate de potassium, eau oxygénée. La manipulation Verser un peu du sachet de permanganate de potassium dans le verre. Verser de l'eau oxygénée dans le récipient et le fermer avec un couvercle pour éviter que le gaz ne s'échappe. Allumer une extrémité du pic en bois avec les allumettes. Éteindre la flamme mais laisser le bois incandescent. Retirer le couvercle et mettre rapidement le pic dans le verre sans toucher l'eau qui se trouve au fond du bocal.

FIGURE 176 : LE BATON INCANDESCENT SE RALLUME Que voit-on ? Le pic en bois se ré-enflamme dès que son extrémité incandescente est dans le bocal. Le dioxygène favorise les combustions. Cette expérience est un test de reconnaissance du dioxygène pur.

Remarque : Pour mettre en évidence la formation de gaz avant de montrer que c’est du dioxygène, on peut faire la même expérience sans fermer le couvercle et en mettant un peu de liquide vaisselle : ça va mousser abondamment ! Après, on montre que c’est du dioxygène avec le test de reconnaissance.

La bougie (DVD Apprendre la science et la technologie à l'école) L'objectif de la séance est d'observer s'il existe un lien entre la contenance d'un récipient utilisé et la durée mise par la bougie pour s'éteindre. Une bougie allumée est recouverte d’un récipient, le tout est posé sur une table. On peut ainsi étudier le temps que met la bougie à s’éteindre en fonction de la taille (ou plutôt du volume) du récipient. On constate que la flamme de la bougie consomme de l’air et plus le bocal est grand, plus il y a d’air dans le bocal et plus la flamme dure longtemps. Cela entraîne des mesures de temps avec un chronomètre et de contenances à l'aide de récipients gradués. Une courbe est ensuite tracée et exploitée. Cela permet de faire des mathématiques très concrètes (mesures de temps, erreurs, et construction d’un graphe).

[vidéo : http://eduscol.education.fr/pid26573/webtv.html?mode_player=1&theme=245&video=222314]


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Les polluants de l’air

" Comment l’air peut-il être pollué ? On peut débuter ce travail par une prise de conscience de la pollution en mettant en place l’expérience suivante : http://www.cea.fr/comprendre/enseignants/Pages/activites/videos-experiences/fabriquer-dispositif-mesurer-pollution-air.aspx Un document édité par la DGESCO suggère une recherche documentaire à partir d’un site pour enfants : http://www.airparif.asso.fr/enfants/ Objectif visé : Identifier les différents polluants de l’air, leurs origines et leurs effets sur la santé et l’environnement. Il existe beaucoup de substances incolores dont l’état est gazeux dans les conditions standards de température et de pression. Le dioxygène est une de ces substances. Matériel :

• Des extraits des documents d’Atmo Auvergne scannés et plastifiés. • Site Internet mentionné ci-dessus

Investigation par recherche documentaire : On peut organiser la classe en différents groupes qui travailleront sur des sujets différents.

! G1 : La pollution naturelle D’où vient la pollution d’origine naturelle ?

! G2 : Les polluants de l’air Quels sont les principaux polluants de l’air et d’où proviennent-ils ?

! G3 : Qu’est-ce qui génère beaucoup de pollution ? Quels sont les polluants émis ?

! G4 : Les pluies acides Comment expliquer l’arrivée de pluies acides ? Quelles sont les conséquences de ces pluies ?

! G5 : Les conditions météorologiques Dans quelles conditions météorologiques particulières l’air risque-t-il d’être davantage pollué ?

! G6 : L’ozone Pourquoi différencie-t-on un « bon ozone » et un « mauvais ozone » ? Pourquoi faut-il protéger l’ozone ?

! G7 : L’effet de serre Quel lien peut-il y avoir entre l’effet de serre et le réchauffement climatique ? L’effet de serre est-il un phénomène nécessaire ou dangereux ? On peut travailler plus spécifiquement l’effet de serre. Voir : http://www.fondation-lamap.org/fr/page/9596/s%C3%A9quence-3-quelles-sont-les-origines-du-changement-climatique Mise en commun :

! Compléter collectivement le tableau ci-dessous (à reproduire sur une grande affiche) Naturelle Produite par l’activité humaine Effets

Origine Volcans Feux Pollens Usines et

agriculture Transports Chauffage Sur l’environnement

Sur la santé

PO

LLUA

NTS


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Synthèse collective ! Permettant de repérer les polluants les plus « dangereux » ! Permettant de définir ce qui peut être retenu par des élèves de cycle 3.

Exemple de trace écrite : La pollution de l’air peut être d’origine naturelle ou produite par l’activité humaine (transport, usine, chauffage) Les principaux polluants sont :

! Des particules (fines poussières) qui peuvent provoquer des irritations et des problèmes pulmonaires.

! Des gaz : o comme le dioxyde de soufre qui provoque des pluies acides et des irritations au

niveau des poumons o ou comme le dioxyde d’azote (principalement rejeté par la circulation automobile) qui

contribue au réchauffement climatique et permet de fabriquer l’ozone de basse altitude (dangereux pour les végétaux et la santé des hommes)

" Comment l’eau de l’atmosphère devient-elle acide ? Cadre : Mettre en évidence que les gaz polluants rejetés dans l’atmosphère, peuvent générer des pluies acides. Note scientifique et pédagogique : En Europe, grâce à l'usage de fuels et gaz mieux désoufrés et aux délocalisations industrielles, les retombées de soufre ont localement fortement diminué. Cependant ce type de pollution est intéressant à travailler avec les élèves pour rendre compte des phénomènes de transfert. Durée : 1/2 h Matériel :

• Vinaigre blanc et bicarbonate de soude (Synthèse du dioxyde de carbone) • Eau déminéralisée • Rouge de crésol (quand le milieu s’acidifie, la couleur vire du rouge au jaune) • Une bouteille avec un bouchon percé, dans lequel est adapté un tube cristal (Boutique

d’aquarium, ou magasin de bricolage) • 2 tubes à essai avec un support • Textes documentaires (les gaz polluants acides)

Objectif visé : L’eau change de propriété : elle s’acidifie au contact d’un gaz, ici le dioxyde de carbone. Expérience : On prépare dans 2 tubes à essai l’indicateur coloré (l’un servira de témoin) : 1/3 du tube rempli d’eau déminéralisée + quelques gouttes de rouge de crésol. Percer à l’avance le bouchon d’une bouteille d’eau et introduire en force un tube cristal. Dans la bouteille, mettre du bicarbonate de soude et rajouter le vinaigre. Fermer aussitôt et plonger l’extrémité du tube cristal dans l’un des tubes à essai contenant le rouge de crésol. Que voit-on ? Dans le tube à essai où l’on a introduit du gaz (dioxyde de carbone), la couleur a viré au jaune. C’est le signe que la solution eau + gaz est devenue acide.


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" Fabriquer de la pluie acide Cadre : Mettre en évidence que les gaz polluants rejetés dans l’atmosphère, peuvent générer des pluies acides. Durée : 1/2 h Matériel :

• un pot avec couvercle • 4 allumettes • eau distillée • du papier pH

Expérience : Dans un récipient, mettre de l’eau distillée et mesurer son pH. Faire brûler 4 allumettes à l’intérieur du pot en maintenant le pot légèrement ouvert pour l’apport d’oxygène nécessaire à la combustion. Laisser les allumettes s’éteindre puis les retirer du récipient. Refermer le pot, puis secouer pour que l’eau absorbe l’ensemble de la fumée. Conclusion et synthèse : Ouvrir et mesurer de nouveau le pH. Constater une acidification du pH après la combustion. Ceci se produit à grande échelle sur la planète. Lors de toute combustion, il y a production de chaleur accompagnée de dégagement gazeux de dioxyde de souffre et d’oxyde d’azote qui se transforment en acide sulfurique et acide nitrique dans l’atmosphère.

"

Activité préalable : mesurer l’acidité Cadre : Permettre aux élèves de se familiariser avec la mesure de l’acidité. Matériel : - citron, vinaigre, eau de pluie, eau du robinet, savon, papier pH Manipulation : À l’aide des bandes de papier pH, faire mesurer l’acidité de certains produits (citron, vinaigre, eau de pluie, eau du robinet, savon…) et les placer ensuite sur l’échelle des pH.


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" Quels sont les effets des pluies acides sur l’environnement ?

Cadre : Mettre en évidence que les pluies acides, ont des effets néfaste sur l’environnement.

• Expérience n°1 Durée : Sur deux semaines Matériel :

! Une eau acidifiée, et une eau du robinet. ! Deux pots de jeunes pousses (prévoir même taille) ! Deux vaporisateurs

Objectif visé : Concevoir des expériences permettant d’observer l’influence des pluies acides sur des plantes. L’expérience : Il s’agira d’arroser chaque plante en pulvérisant l’une avec de l’eau du robinet et l’autre avec une eau acide. Amener les élèves à comprendre qu’il faut arroser chaque plante avec la même quantité de liquide. Noter régulièrement le jour de l’arrosage et l’état des plantes. Que voit-on ? : La plante arrosée avec une eau acide va rapidement mourir alors que l’autre continue à bien se porter. Remarque : On peut réaliser la même expérience en arrosant des graines mises en germination et en observant la croissance.

• Expérience n°2 Durée : 1/2h Matériel :

! Du vinaigre (eau vinaigrée). ! Deux morceaux de calcaire ou craie ! Eau du robinet

Objectif visé : Concevoir des expériences permettant d’observer l’influence des pluies acides sur des matériaux de construction. La manipulation : Déposer une à deux gouttes d’eau vinaigrée sur le calcaire, et une à deux gouttes d’eau du robinet sur l’autre morceau. Comparer. Que voit-on ? : L’eau vinaigrée réagit au contact du calcaire, on voit une effervescence. L’eau du robinet ne provoque pas de réaction. Elargissement : Donner aux élèves un texte documentaire sur les gaz polluants acides ainsi que les 2 photos de la forêt détruite et du bâtiment dégradé (voir partie scientifique : les effets de la pollution). Faire le lien entre les expériences précédentes. Ce qu’on peut retenir dans la synthèse : Les pluies acides se forment au contact de l’eau atmosphérique avec des gaz polluants. Les pluies acides peuvent conduire à la mort des végétaux, et elles contribuent à la dégradation des bâtiments.


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" Pourquoi la modification de la composition de l’air pose-t-elle problème ?

Durée : 1/2h Matériel :

! Des perles de rocailles dans une boite : 78 perles bleues, 21 perles rouges et 1 perle blanche.

! Une perle blanche, une perle bleue et une perle rouge en dehors de la boite Modélisation : Que représentent les perles bleues (l’azote) ? Que représentent les perles rouges (l’oxygène) ? Que représentent les perles blanches ? (les autres gaz) Ceci nous rappelle la proportion de chacun des gaz qui composent l’air sec et non pollué. On ajoute une perle bleue. Peut-on voir une différence ? Pourquoi ? On fait la même chose avec une perle rouge puis avec une perle blanche. Que voit-on ? Si on ajoute une perle bleue ou une perle rouge à celles qui sont déjà présentes dans la boite, l’image visuelle globale ne change pas. Par contre, si l’on rajoute une perle blanche, l’image visuelle globale change. Explication : C’est une question de proportion. Ajouter une perle blanche revient à doubler la quantité de perles blanches. De la même façon, ajouter une petite quantité de gaz (autre qu’azote ou oxygène) créera beaucoup de perturbations. Synthèse : Lorsqu’un gaz polluant vient se rajouter aux gaz autres que l’azote ou l’oxygène, cela modifie la proportion des composants de l’air et cela entraine des perturbations sur la santé et sur l’environnement.


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Des moyens d’actions – Éducation au développement durable

Une majorité des sources de pollution de l’air provient des activités humaines. Nous connaissons ce que l’entreprise des Ancizes a mis en place pour limiter cette pollution. Et nous que peut-on faire ? Comment chacun peut-il agir en faisant des choix éclairés ?

" Les transports ont-ils un impact sur la qualité de l’air ?

Source : http://www.fondation-lamap.org/fr/page/21134/ii11-les-transports-ont-ils-un-impact-sur-la-qualite-de-lair Cadre : Tracer la courbe des émissions du dioxyde d’azote (NO2) en fonction des heures sur plusieurs jours afin de comprendre le lien entre activité humaine et pollution de l’air. Durée : 1h30 Matériel :

• Photocopie de la fiche 1 (Concentration de l’atmosphère en NO2 au cours de la journée) • Photocopie de la fiche 2 (Graphique de la concentration en NO2), si possible sur papier-

calque ou transparent Objectif visé : Les transports qui utilisent des énergies fossiles émettent des polluants (gaz et particules). Ces polluants provoquent des maladies du système respiratoire, des irritations, des maux de tête… Lexique : qualité de l’air, polluant Question initiale : L’enseignant débute la séance en demandant : En quoi certains moyens de transport peuvent-ils polluer l’air ? Après avoir noté les réponses des élèves, on définit en classe entière le vocabulaire qui aura été cité. En particulier, on revient, dans la discussion, sur les acquis des élèves : l’air est composé de différents gaz (azote : 78 %, dioxygène : 20 %, autres : 1 % = gaz rares, dioxyde de carbone…). On parle de pollution quand la proportion de ces gaz change, ou quand d’autres gaz apparaissent. Investigation par recherche documentaire : L’enseignant distribue la fiche 1 (Concentration de l’atmosphère en NO2 au cours de la journée) qui présente, pour différents jours de la semaine, l’évolution de la concentration de l’atmosphère en NO2. L’exemple pris est locale, c’est celui de la ville de Clermont-Ferrand (station avenue Edouard Michelin). L’enseignant s’assure que les élèves arrivent bien à lire le tableau (il peut le faire en demandant par exemple : « quelle est la concentration en NO2 de l’air, à Clermont, le 12 novembre à 16 heures ? »). La classe discute du sens du mot « NO2 » (rappel du travail précédent) et des unités utilisées (1 mètre cube = 1 000 litres, 1 microgramme = 1 millionième de gramme). Les élèves sont répartis par groupes : chaque élève réalise un graphique pour une journée. On peut choisir de réaliser le graphique pour seulement 4 ou 5 jours de la semaine afin d’éviter le traitement de trop d’informations. Un code couleur défini en classe entière permet d’identifier les différentes courbes (une couleur par journée). Si possible, les graphiques vierges seront imprimés sur des transparents ou du papier-calque, ce qui permettra à chaque groupe de comparer les différentes journées, en superposant les graphiques. Sinon, en plaçant les feuilles l’une sur l’autre devant les fenêtres, on peut visualiser, par transparence, le graphique complet.


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Note pédagogique : Il est possible de demander aux élèves de construire eux-mêmes les graphiques (en choisissant les axes, échelles…) : prévoir, dans ce cas, une séance supplémentaire. Mise en commun : En classe entière, on décrit et on analyse ces graphiques. Les élèves cherchent à quoi sont dues ces émissions. Ils cherchent à expliquer les différences entre les graphiques en portant leur attention sur les jours de la semaine concernés.

Superposition de différentes courbes tracées sur des calques : • en noir, le dimanche 12 novembre : trafic beaucoup moins important sur l’ensemble de la journée • en rouge, le lundi 13/11 : pic de trafic le matin pour partir au travail ; le soir, les retours sont plus étalés • en jaune, le mercredi 15/11 : la courbe a la même forme générale que le lundi, mais avec davantage d’activités : plus de personnes travaillent le mercredi que le lundi • en vert, le vendredi 17/11 : la forme générale de la courbe est également similaire mais on observe un pic plus important en fin de journée : les retours sont plus concentrés en ce début de week-end • en bleu, le samedi 18 novembre : sorties de loisir en fin de journée Conclusion et synthèse : Les pics d’émission de polluants correspondent aux périodes de pointe du transport automobile, et donc aux activités (trajet domicile-travail, week-end, activités de loisir…). L’enseignant pourra préciser que les NO2 sont issus majoritairement du transport routier, et en particulier des véhicules diesels. La classe élabore une synthèse collective, par exemple : L’usage massif de l’automobile est source de pollution.


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Fiche 1 : Concentration de l’air, heure par heure, en NO2 au cours de la journée

Consigne : Ce tableau montre la concentration de l’air, heure par heure, en NO2 (dioxyde d’azote). Les mesures ont été faites à Clermont-Ferrand, en novembre 2017. À l’aide des tableaux ci-dessous et du graphique de la fiche suivante, trace l’évolution de la concentration de l’air en NO2 au cours d’une journée.

Source : ATMO Auvergne-Rhône-Alpes

12/11/17 Dimanche

13/11/17 Lundi

14/11/17 Mardi

15/11/17 Mercredi

16/11/17 Jeudi

17/11/17 Vendredi

18/11/17 Samedi Heures

NO2 (µg/m3) 1:00 6,2 3,1 6,2 24,0 44,5 45,7 40,7 2:00 3,9 6,1 39,6 39,9 34,5 3:00 15,1 3,6 6,5 41,4 40,2 38,4 22,0 4:00 11,1 4,4 6,4 21,3 44,0 41,7 11,6 5:00 6,5 7,2 8,9 36,3 54,2 51,8 11,6 6:00 10,1 12,1 17,6 53,7 58,0 56,7 15,9 7:00 6,9 32,5 42,0 76,2 109,9 95,6 51,6 8:00 11,7 50,3 49,6 118,4 100,9 110,8 70,2 9:00 13,9 25 30,9 87,3 67,5 93,3 58,6 10:00 22,4 20,9 29,3 76,2 63,4 82,4 43,7 11:00 18,6 20 39,2 69,2 59,3 61,1 36,7 12:00 15,4 19,3 37,1 60,0 55,4 59,9 36,1 13:00 10,1 16,3 32,4 50,9 55,8 49,5 62,1 14:00 11,0 20,7 41,5 44,4 62,6 50,9 50,4 15:00 10,1 21,8 47,0 42,3 71,1 55,8 23,7 16:00 11,3 28,9 61,0 75,5 66,2 74,2 37,9 17:00 8,5 37,7 107,4 122,3 74,1 132,2 87,1 18:00 17,2 40,3 89,6 131,8 86,5 153,2 83,0 19:00 18,3 21,4 44,1 139,1 85,1 97,4 100,9 20:00 17,1 13,2 24,4 131,7 77,8 103,9 86,3 21:00 7,5 10,3 26,5 113,7 75,0 85,7 74,4 22:00 5,7 8,4 23,2 94,8 81,5 63,4 77,7 23:00 4,5 7 25,6 75,6 66,9 53,3 66,7 0:00 3,6 6,1 24,7 56,6 57,9 46,4 57,4


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NO2

NO

2

Concentration en NO2 (µg/m3)


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" Que puis-je faire ? Comment préserver la qualité de l’air ?

Plusieurs pistes de travail sont possibles.

! Reconstituer une journée ou une semaine type en faisant attention à l’usage des moyens de transport.

! Calculer la production de CO2 en fonction des moyens de transports utilisés.

Transports et émissions de CO2 : http://www.fondation-lamap.org/sites/default/files/upload/media/minisites/projet_transports/eleves/je-suis-ecomobile_animation_4_efficacite-energetique.swf

Animation interactive permettant de simuler les émissions de CO2 de différents moyens de transport

pour des effectifs de 1, 5 ou 300 voyageurs. Quelle est l'efficacité des différents moyens de transport ?


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! Recherche : Quelle solution simple pourrait-on mettre en place ?

Par exemple : mise en place d’un autobus pédestre ou d’un cyclobus

Séquence décrite sur le site de la MAP : http://www.fondation-lamap.org/fr/page/21173/sequence-iii2-mise-en-place-dun-autobus-pedestre

! Des gestes au quotidien pour polluer moins : mettre en place une charte de la qualité de l’air. Pour préserver la qualité de l’air, on doit limiter l’impact de notre voiture sur l’atmosphère en faisant les petits trajets à pied ou en vélo, en circulant en transport en commun, en pensant au covoiturage…


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ANNEXES

Propriétés physiques et chimiques de certains gaz TABLEAU : SOURCE PRAXAIR - FICHES DE SÉCURITÉ

Nom de la matière

Etat physique à

T=20°C

Couleur de la matière à l’état gazeux

Odeur de la

matière à l’état

gazeux

Température de fusion

Température d’ébullition (sous quelle

pression)

Densité relative

(/air)

Solubilité dans l’eau

Oxygène gaz incolore inodore -219 -183 1,1 39mg/L

Azote gaz incolore inodore -210 -196 0,97 20mg/L

Eau liquide incolore inodore 0°C 100°C à P=1atm

- -

Dioxyde de carbone

gaz incolore inodore -56,6 -78,5(s) 1,52 2000mg/L

dihydrogène gaz Incolore inodore -259 -253 0 ,07 1,6mg/L

Distinguer fumée, brouillard et vapeur

" Vapeur On parle de vapeur, pour nommer l’état gazeux de substances qu’on trouve à l’état liquide dans les conditions standard de température et de pression.

• La vapeur d’eau : c’est l’eau à l’état gazeux. Le terme de vapeur est utilisé car l’eau existe à l’état liquide dans les conditions standard de température et de pression. • La vapeur d’alcool : c’est de l’alcool à l’état gazeux. Le terme de vapeur est utilisé car l’alcool existe à l’état liquide dans les conditions standard de température et de pression. • Le dioxygène de l’air, est à l’état gazeux dans les conditions standard de température et de pression. Donc nous n’utilisons pas l’expression de vapeur d’oxygène.

" Brouillard • Un brouillard est formé de fines gouttelettes de liquide en suspension dans un gaz. A la sortie de la soupape de la cocotte minute, se forme un brouillard. Attention, dans le langage commun, les gens confondent vapeur et brouillard. • Les nuages de basses altitudes, sont des brouillards, constitués de fines gouttelettes d’eau en suspension dans un mélange d’air et de vapeur d’eau.

" Fumée • Une fumée est formée de fines particules solides en suspension dans un gaz. La fumée du feu de cheminée est constituée de fines particules solides en suspension dans l’air. • Les nuages de hautes altitudes comme les cirrus, sont constitués de fins cristaux de glace en suspension dans l’air.


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Document fourni par Atmo-Auvergne


52

Document fourni par Atmo-Picardie


53

Lichens et pollution de l’air


54

Fiche de recherche

l’air et les pollutions de l’air€¦ · au moyen age, la théorie aristotélicienne des quatre...

Documents