structure de l’atmosphère

Au cours des dernières décennies le « trou d’ozone » a montré la fragilité de l’atmosphère, l’abus des pesticides a montré la fragilité des sols, des eaux de surface et des nappes phréatiques, les rejets de CO2 ne cessent de croître et de menacer l’équilibre du climat, les rejets de toutes sortes risquent de devenir ingérables. Il est devenu essentiel de pouvoir diagnostiquer les modifications des différents milieux, air, mer, eau, sol, biosphère qu’elles soient d’origine naturelle ou anthropique et de pouvoir rééquilibrer les milieux altérés.

I. Structure de l’atmosphère

L’atmosphère• air pour respirer• isolation• répartition de la chaleur• propagation des sons• permettre la vie

phénomènes météorologiques

couche d’ozone

bouclier à météorites

Composition de l’atmosphère

• 78%vol N2

• 21%vol O2

• 0,9%vol Ar• 0,03%vol CO2

• 0,03%vol : Ne, He, Kr…• Vapeur d’eau (1 à 4%vol)• Particules solides en

suspension

• Composition constante jusqu’à 85 km de hauteur

Air

exosphère

Les polluants atmosphériques

répercutions locales, régionales ou à l’échelle du globe (gaz à effet de serre)

gaz (90%) aérosols : particules liquides ou solides (10%)0,01 m à 5 m

pollution : augmentation de la concentration de la substancedu fait de l’activité humaine ou de causes naturelles

Les polluants atmosphériques“Pollution” naturelle(organique et inorganique)• incendies de forêts• Volcans (gaz + cendres)• Pollen• sable• Bacteries, virus• Sel (embruns)• Methane • poussières de météores

Les polluants atmosphériques

pollution anthropique• depuis l’apparition des

hommes

• accélération depuis la révolution industrielle

http://www.ipcc.ch/present/graphics.htm

Principaux polluants atmosphériques• Polluants primaires : produits par diverses sources (CO2, CO,

particules solides, …)• Polluants secondaires : produits à partir de la transformation,

par des processus naturels des polluants primaires

Principaux polluants atmosphériques

CO

NO et NO2

SO2

II. Les polluants primaires

Monoxyde de carbone (CO)– Gaz inodore, incolore– Combustion incomplète de matériaux organiques

http://www.citepa.org/emissions/nationale/Aep/aep_co.htm

Oxydes de soufre (SOx)

• Combustion fuels et charbon• SO2 + H20 H2SO4

(pluies acides, dégradation de la pierre et de certains matériaux de construction)

• incolore mais irritant et toxique• associé à de nombreuses pathologies

respiratoires

Le dioxyde de soufre dans l’air

http://www.citepa.org/emissions/nationale/Aep/aep_so2.htm

• Provient de la combustion de l’air (centrale thermique, chaudières, véhicules)

• Les quantités de Nox produits naturellement par les volcans et les bactéries, et les éclairs > émissions anthropiques

• NO: relativement peu toxique sauf à haute concentration

• NO2: plus toxique– Joue un rôle majeur dans les réactions de production de l’ozone

(troposhère) et du smog

– Pluies acides (formation de HNO3)

– précurseur de l’ozone troposphérique

NO2 + h NO + O. (photolyse UV+vis 200-420nm)

O. + O2 O3

Oxydes d’azote (NOx)

http://www.citepa.org/emissions/nationale/Aep/aep_nox.htm

Le protoxyde d’azote

Concentrations moyennes annuelles de dioxyde d'azote en France (µg/m3)

http://www.ifen.fr/dee2003/qualiteair/qualiteair3.htm

Part des émissions de gaz à effet de serre dans l’Union européenne en 1999 (en % de CO2 net) pouvoir de réchauffement global 300

• Provient de la volatilisation des produits azotés utilisés dans l’agriculture

• irritations et lésions des muqueuses oculaires, des voies respiratoires et de la peau– contribue à la formation d’aérosols – Pluies acides– eutrophisation des sols– entraine une baisse de la biodiversité des espèces végétales

NH3

http://www.citepa.org/emissions/nationale/Aep/aep_nh3.htm

NH3

0

10

20

30

40

50

60

70

75 80 85 90

Jour

Apports = 114 kg/haPertes = 79 kg/ha

Exemple de mesures d’émissions d’ammoniacaprès épandage de lisier

• Produits volatils• Hydrocarbures (H et C)

– Méthane, Ethylène, Benzène, acétone– Solvants dans les peintures, encres– végétation, feux de forêt et animaux

• La plupart vont réagir chimiquement : VOC + Oxyde d’azote smog

Composés organiques volatils (VOC)

http://www.citepa.org/emissions/nationale/Aep/aep_covnm.htm

Polluants organiques persistants (POPs)

• Persistance dans l’environnement : dégradation de 50% en 7 à 8 ans• Bioaccumulation dans les tissus vivants

concentrations augmentant le long de la chaine alimentaire• Transport longue distance

toxiques pour lasanté et la faune

Dioxines et furannes

HAP

HCB

PCB

Sources d’émissions anthropiques relevant d’émissions industrielles

• Petites particules solides ou gouttelettes liquides suspendues dans l’air

• Peuvent rester suspendues qques sec ou des mois

• Divisées en 2 catégories : PM2.5 et PM<10

• Sources– combustion (charbon, huile, gaz, bois)– Agriculture (labourage)– véhicules– Volcanisme– Érosion naturelle

• Engendrent des problèmes respiratoires

Particules en suspension (PM)polluants primaires et secondaires

QuickTime™ et undécompresseur TIFF (non compressé)

sont requis pour visionner cette image.

Contribution en % des différents secteurs d'activités aux émissions de polluants en Ile-de-France(estimations faites pour l'année 2000)

http://www.airparif.asso.fr/page.php?article=inventaire&rubrique=polluants

III. Les polluants secondaires

• bonne ozone – dans la stratosphère– protège des rayonnements UV

• mauvaise ozone – dans la troposphère (près du sol)– nécrose des tissus vivants (oxydant)– formation du smog photochimique– gaz à effet de serre

L’ozone

L’ozone (troposphère)

Le smog

Add LA smog shot

http://www.sbg.ac.at/ipk/avstudio/pierofun/mexico/galery.htm

Mexico

Le suivi des polluants

http://www.ifen.fr/dee2003/qualiteair/qualiteair9.htm

L’indice ATMO• informe sur la qualité de l’air pour des agglomérations > 100 000 hab.• calculé par des AASQA• varie de 1 (Très Bon) à 10 (Très Mauvais)• calcul chaque jour à partir de :

ozone SO2

NO2

PM

Ozone troposphérique : effet sur la végétation

• altération des processus physiologiques des plantes• mesure de l’AOT40 : indicateur de risque d’exposition à l’ozone (accumulated over threshold of 40ppb)• seuil : 6000 g/m3/h sur 3 mois

La dispersion des polluants

• pollution de proximité• pollution à longue distance

– acidification– pollution photochimique

• pollution planétaire– effet de serre– destruction de l’ozone stratosphérique

qques heures

qques jours

qques années

La dispersion des polluants

http://www.citepa.org/pollution/phenomenes.htm

Inversion de température• Normalement l’air est plus froid en altitude

• l’air chaud de la surface monte; La chaleur se dissipe

• Une couche d’air chaud se forme au dessus la couche d’air froid

Chaud

Froid

Inversion

Chaud

Froid

Chaud

Froid

• inversion due à la radiation : l’air en surface se refroidit pendant la nuit

IV. Les conséquences

Effet de la pollution de l’air sur l’altération des monuments

CaCO3 + H2SO4 CaSO4+CO2+H2O

• noircissement des façades en bas à l’abri de la pluie :

croûtes noires gypseuses ayant piégées des particules de suie ou de cendres

Effet des aérosols sur le climat local

• petites particules + CO2 + CH4 favorise la microcondensation

formation de nuages à durée de vie allongée

• moins de rayons atteignent la terre

légère compensation de l’effet de serre

• cycle de l’eau modifié

Constellation de satellites : A-train

combiner les informationsissues de sources différentes pour : - étudier la structure verticale des nuages

- étudier les propriétés des aérosols

- observer les flux radiatifs et les conditions atmosphériques

• Comprendre et modéliser l’impact radiatif des nuages et des aérosols• Quels sont les types d’aérosols ?• Comment les observations confirment ou infirment les modèles ?• ...

Destruction de l’ozone stratosphérique

L’effet de serre

Le mécanisme de l ’effet de serre ...

Une vitre laisse passer le rayonnement solaire « visible »

Rayonnement solaire

Une vitre laisse passer le rayonnement solaire « visible »

Rayonnement solaire

La surface réfléchit une faible partie du rayonnement solaire, et en absorbe une grande partie :

Elle s’échauffe

La surface réfléchit une faible partie du rayonnement solaire, et en absorbe une grande partie :

Elle s’échauffe

Le mécanisme de l’effet de serre…

Une vitre laisse passer le rayonnement solaire visible

La surface réfléchit une faible partie du Rayonnement solaire et en absorbe une grande partie Elle s’échauffe

Le mécanisme de l ’effet de serre ...

Rayonnement solaire (visible)

La vitre absorbe quasiment tout le rayonnement de grande longueur d’onde...

La vitre absorbe quasiment tout le rayonnement de grande longueur d’onde...

La surface rayonne vers

la vitre(infra-rouge)

La surface rayonne vers

la vitre(infra-rouge)

... Elle s’échauffe et rayonne vers la surface.



La vitre absorbe tout le RayonnementGrande Longueur d’onde

Le mécanisme de l’effet de serre…

La surface Rayonne vers la Vitre (Infra –rouge)

Elle s’échauffe Et rayonne vers la surface

+5°C+480°C+35°CRéchauffement

-55°C+460°C+ 15°CTs réelle

-60°C-20°C- 20°CSans GES

MARSVENUSTERRE

+5°C+480°C+35°CRéchauffement

-55°C+460°C+ 15°CTs réelle

-60°C-20°C- 20°CSans GES

MARSVENUSTERRE

Terre : pression =1 bar; CO2 = 0.035% ; distance soleil = 150 MkmVenus : pression = 92 bar; CO2 = 95%; distance soleil = 108 MkmMars : pression = 7. 10-4 bar; CO2= 95%; distance soleil = 228 Mkm

Terre Vénus MarsSans GES -20°C -20°C -60°C

Ts réelle +15°C +460°C -55°C

Réchauffement

+35°C +480°C +5°C

http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim/biblio/pigb14/02_aerosols.htm

Bilan d’énergie à la surface de la Terre

FORCAGE RADIATIF :

La planète émet en moyenne 240 W.m -2 vers l’espace La surface émet en moyenne 390 W.m -2 vers l’atmosphère

La différence entre ces deux termes (150 W.m -2) représentele forçage radiatif

Dans le cas de l’effet de serre naturel :

Le doublement du CO2 atmosphérique par rapport à la concentration préindustrielle conduit à un forçage additionnel d’environ 4 W.m -2

Dans le cas de l’effet de serre naturel La planète émet en moyenne 240 Wm-2 vers l’espace La surface émet en moyenne 390 W m-2 vers l’atmosphère. La différence entre ces deux termes (150 W.m-2 ) représente

Le Forçage radiatifLe doublement du CO2 atmosphérique par rapport à la concentration Préindustrielle conduit à un forçage additionnel d’environ 4 W m-2

Forçage radiatif

Forçage radiatif additionnel

http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim/motscles/Images/forcage.html

Gaz trace Concentration préindustrielle

CO2280 ppm

CH4700 ppb

N2O275 ppb

CFC-110

CFC-120

HCFC-220

CF40

Concentration En 1998

365 ppm

1745 ppb

314 ppb 268 ppt 533 ppt 132 ppt 80 ppt

Augmentation annuelle

1,5 ppm/an

7ppb/an

0,8 ppb/an

-1,4 ppt/an

4,4 ppt/an

5 ppt/an

1 ppt/an

Augmentation annuelle

0,4 %Par an

0,6 %Par an

0,25%Par an

0 %Par an

1,4 %Par an

5 %Par an

2%Par an

Durée de vie (années)

50 à 200

8,4 à 12 114 à 120

45 100 12 50000

Contribution au forçage

Radiatif

1,46 W.m-2

60%

0,48 W.m-2

19,8%

0,15 W.m-2

6,1%

0,07 W.m-2

2,9%

0,17 W.m-2

7%

0,03 W.m-2

1,2 %

0,003 W.m-2

0,1%Potentiel de

Réchauffement

Global

1 23 296 4600 10600 1700 5700

Potentiel de Réchauffement Global => permet de Quantifier l’importance relative d’un gaz à effet de serre par rapport à un autre => Puissance radiative que le gaz à effet de serre renvoie vers le sol pour une durée de 100 ans généralement

Forçage radiatif AdditionnelTotal : 2,4W/m2

T = 0.6°

Le cas du CO2

Evolution des concentrations en CO2 : mesures réalisées à partir du carottage de glaciers

Composantes du cycle de carbonesources anthropiques

Emission de CO2 due à l’utilisation de combustible fossile-> de 1751 à 1991 => 230GtC-> augmentation de 5.5 (±0.5) GtC/an Emission due à la déforestation ou usage des sols -> de 1850 à 1990 => 122GtC-> augmentation de 1.6 (±1) GtC/an

Stockage supplémentaire du CO2 dans l’atmosphère -> augmentation de 1.53(±0.1) ppm/an => 3.2(±0.2) GtC/an

NB: les composés carbonés autres (CH4, CO…) représentent moins de 1% du carbone de l’atmosphère et sont négligeables

V. Quelques solutions

Contrôle et duminution de la pollution de l’airInstallations industrielles• Particules

– 3 types d’équipement : filtre cyclone

efficacité : 70-90%

• efficacité : 97%• capture des plus petites particules que le filtre cyclone• maintenance plus complexe

filtre à manches “baghouse”

Précipitateur électrostatique

SO2

– nécessité de combiner les techniques• utilisation d’un charbon à faible teneur en soufre• lavage du charbon• Filtration des fumées

Emissions automobiles• Génèrent une pollution de l’air significative, qui produit CO, CO2, Sox, NOx, particules et VOCs

• Contrôle des émissions par :– Pots catalytiques: système qui catalyse la conversion de CO and VOCs to CO2 and H2O (don’t remove NOx)– Surveillance et Maintenance– Augmentation de l’efficacité des carburants– Réduction du trafic– Changement de carburant

Solutions ‘puits manquant’(7. 1-3.2=3.9 GtC/an)

>Stockage dans les océans (2GtC/an) La solubilité des gaz (280 gCO2/l) augmente avec la pression

partielle du gaz dans l’atmosphèreAttention !! Elle diminue avec la température

> Croissance secondaire des forêts dans l’hémisphère nord ~0.5GTC/an

>Augmentation de la production primaire des végétaux ‘fertilisation CO2 ou azotée’ ~ 1.3 GtC/an ? Puits manquant

Bilan = 0

Sols agricoles

Sols forestiers

Stocks de C

0 – 30 cm Inra – 2003

Les sols

I. Formation d’un sol

?

Développement d’un profil de sol

Un sol se forme par altération d'une roche superficielle sous l'influence du climat, de la végétation ou d'organismes.

Le point de départLe point de départ

• Développement d’un profil pédologique contient des couches

caractéristiques : horizons

Roche mèreRoche mère

http://home.tiscali.be/fafa68/types_de_sols.htm

Facteurs de formation d’un sol

•Temps

•Roche mère

•Climat

•Biotope

•Topographie

Qu’est ce qui définit un sol ?

La différence entre “Sol” et “Salete / Poussière”?

“ composés naturels dynamiques ayant des propriétés dérivées de l’effet combiné du climat et des activités biotiques, modifiés par la topographie, et agissant sur la roche mère pendant différents périodes de temps ”

Le Sol est une entité vivante en continuel développement ; La saleté / poussière est le résidu des matières organique et minéral

Soil Ecosystem

http://home.tiscali.be/fafa68/types_de_sols.htm

Les composants Les composants des solsdes sols

Composants principauxComposants principaux

Distribution en volume des composants d’un sol de surface moyennement texturé soil

solids50%

pore space50%


Distribution en volume des composants d’un sol de surface moyennement texturé

mineral45%

pore space50%

organic 5%


Distribution en volume des composants d’un sol de surface moyennement texturé

mineral45%

air25%

water25%

organic 5%

La chimie du sol

La couleur des sols va varier en fonction des compositions

Propriété unique et importante des sols

Fine, mixed, active, thermicAbruptic Durixeralfs

Filtre naturel et lieu de stockage

Pesticides

H2O

Rétention dans les sols

Azote,Phosphore,Potassium...

•Le sol est un lieu de stockage pour les nutriments des plantes

• Retient l’eau

•Filtre les contaminants

Cr

H2O

Rétention dans les sols

Cr

Interactions des éléments avec les surfaces minérales.

Processus importants dans les sols :

Précipitation

Adsorption (minéraux, matière

organique)

Comportement des éléments traces métalliques (ETM) dans les environnements de surface : Exemple de Zn et

Pb

dam-m m-dm cm-mm mmm

P g

ÅEchelle d’observation

Observation du milieu naturel : Importance des changements d’échelles.

Outils adaptés à l’échelle d’observation et à l’information recherchée :

Pétrologie-Minéralogie (microsonde e-, DRX, MEB, MET)

Cristallochimie (DRX-Rietveld, spectroscopies)

soil

root

1 mm

Zn K

Cu Ca Fe

Mn Pb

Les éléments ne présentent pas tous la même biodisponibilité : Effet de la forme chimique

(spéciation).

Ti

II. Quelques exemples

1-Pollution par le Cd

Pollution par le cadmium(maladie Itai-Itai)

• mines d’Au, Ag, Cu, Zn• bassin de la rivière Jinzu• Mines de Cd• 1890 : nouveaux fourneaux

http://www.kanazawa-med.ac.jp/~pubhealt/ikadai2/itaiitai-e/itai01.htmlhttp://www.ulb.ac.be/esp/lsttm/courscdb/cadmium.html

aggravation de la pollution atmosphérique

Maladie endémique

Le mécanisme explicatif ?

Mécanisme d’amplification trophique

Cd Eau de rivière

Rizière1,1 ppm (0,3 ppm sols propres)

Riz4,2 ppm Humains

Atteinte rénaleFuite de Ca et P par les urinesosteomalacie

2-Pollution par le Pb

Effets du Pb sur la santéToxique à effet cumulatif entraînant des troubles neurologiqueset comportementaux (symptomes peu nets)• prématurité et retard de croissance chez l’embryon• déficit du développement neuro-comportemental•Altération du Q.I….

Limite max de Pb dans le sang : 100 g/litreTaux moyen (zone non polluée) : < 10 g/litreSi > 450 g/litre : saturnisme

16 % enfants plombémie > 100 g/litreMoyenne nationale (1,8%)

aérosolsPbS, ZnS

PbSO4, ZnSO4

scoriesusine

Pollution par le plomb/zinc

http://perso.wanadoo.fr/nordnature.federation/environnement/pollutions/sols/metaleurop_3.htmthèse Farid Juillot

1894 : usine de fonderie de zinc et four à plomb1920 : après reconstruction de l’usine, 1 des plus gros producteurs mondiaux de Zn et Pb1988 : création de Métaleurop Nord

En 1980 : 38 cheminées et 150 points d’émission de Pb105 000 tonnes de Pb produites en 2001100 000 tonnes de Zn (+ 400 tonnes Cd, 210 Ag, 245 000 H2SO4)

Rejet dans l’atm en 2001 : Pb: 18 t/an Zn: 26 t/an Cd: 823 kg/an

http://perso.wanadoo.fr/nordnature.federation/environnement/pollutions/sols/metaleurop_3.htm

Concentrations en Pb et ZnDistribution verticale du zinc et du plomb

Horizonlabouré

la Deule

Usine

Courcelles-les-Lens

Noyelles-Godault

Evin-Malmaison

750 m

Dourges

sous-bois

N

cultivé

> 200 mg/kg > 500 mg/kg > 1000 mg/kg

Distribution spatiale du zinc et du plomb pH 7.5, COT 1.5 %

pH 5.5, COT 6.5 %

Godin et al. (1985), Juillot (1998), Morin et al. (1999), Juillot et al. (sous presse)

Norme (épandage des boues d’épuration) : 100 ppm maxValeur de réf. (considérée comme normale) : 20 ppm[Pb] dans des sols non pollués : 5 à 25 ppm

Sol cultivépH 7.5, COT 1.5

Sol peupleraiepH 5.5, COT 6.5

Pas de zinc échangeable

Biodisponibilité et mobilité faibles

Néoformation importante d ’hydrotalcite Zn/Al(Stabilité à long terme ?)

40 % de zinc échangeable(Zn(II) / M.O. et Zn(II) / oxydes Fe)

Biodisponibilité et mobilité plus importantes

Néoformation faible d ’hydrotalcite Zn/Al(Effet pH)

Conclusions sur la spéciation du zinc

Sol cultivépH 7.5, COT 1.5

Sol peupleraiepH 5.5, COT 6.5

Pas de plomb échangeable


Adsorption importante sur oxydes Fe et Mn(Effet pH)

20 % du plomb échangeable(Pb(II) / M.O.)

Association très forte avec M.O.(mobilité réduite)


Conclusions sur la spéciation du plomb

Teneur en Pb dans les vases

http://www.equipement.gouv.fr/sn-npc/TourismesLoisirsNautiques/Guide%20Ports%20Haltes/Cartes/Deûle.htm

4900 à 6300 ppm

1468 ppm

457 ppm

3-Un cas de pollution naturelle par l’arsenic

Pollution par l’arsenic• As : élément naturel. teneur moyenne dans la croûte

terrestre à 5 x 10-4 %• Plusieurs redox possibles selon la nature des sédiments• As organique ou inorganique• toxicité variable selon la forme chimique sous laquelle As

est présent dans le milieu, ou accumulé dans le réseau trophique (fixe ou remobilisable…)

http://www.unesco.org/courier/2001_01/photoshr/10.htm

http://www.bgs.ac.uk/arsenic/bangladesh/mapsnhs.htm

Seuil toxicologique pour As dans l’eau en France : 10 g/litre

[As] dans les nappes phréatiques

Profondeur des puits[As] dans les nappes phréatiques

• Nature de la source minérale de l’As dans les sédiments

• Comment il est libéré dans les eaux• Pourquoi le problème est aussi sérieux au

Bangladesh• Comment cela va-t-il evoluer dans le futur

4-La pollution radioactive

La pollution radioactiveEn Ukraine : • Dans les sols : contamination piégée dans les 10 premiers cm• De 1987 à 1992 : niveau de contamination a diminué de 60 %• 10 % des produits laitiers, viandes et champignons provenant de la zone contaminée ont une activité > 100Bq/kg de poids frais• La quasi-totalité des céréales et PdT ont une activité < 100Bq/kg

Dépôt de Cs en France

http://www.irsn.fr/vf/05_inf/05_inf_1dossiers/05_inf_17_tcherno/05_inf_17_1tcherno6_img.shtm

III. Quelques solutions

BioremédiationUtilisation de micro-organismes (levure, champignon, ou bacterie) pour détruire ou dégrader les substances dangereuses en substances moins toxiques ou non toxiques

Deinococcus Radiodurans

• bactérie

• supporte une dose de radiation 1500 fois > à la dose létale pour l’homme

Le monde 11.01.2003http://www.daviddarling.info/images/D_radiodurans.jpg

In-situ-Bioremediation• Biostimulation (stimule

l’activité biologique via un apport d’O2)– Bioventing (Injection

d’air/nutriments dans la zone non-saturée du sol)

– Biosparging (Injection d’air/nutriments air/nutrients dans les zones saturée et non-saturée du sol)

• Bioaugmentation (ajouter des organismes dans le sol)

Ex-situ -Bioremediation• Biotertre et andain• bioslurry (en réacteur)

: Sol mélangé à de l’eau + additifsdans un réservoir, microorganismes, nutriments, oxygène

• Landfarming : épandage en faible épaisseur (< 10cm) de sols pollués par des produits organiques (dilution)

http://www.ipd.anl.gov/biotech/publications/phytopost1/

MétalLimite

inférieure (% en matière

sèche de feuilles)

Nombre d’espèces

Nombre de familles

Cadmium > 0,01 1 1Cobalt > 0,1 28 11Cuivre > 0,1 37 15Plomb > 0,1 14 6

Manganèse > 1 9 5Nickel > 0,1 317 37Zinc > 1 11 5

Thallium > 0,1 2 1

Principales familles hyper accumulatrices

http://membres.lycos.fr/granel/phytoveg.html

structure de l’atmosphère

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