Chimie Environnementale - African Virtual University

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Chimie
environnementale
Par Dr. Dejene Ayele TESSEMA
African Virtual university
Université Virtuelle Africaine
Universidade Virtual Africana
Université Virtuelle Africaine 1
NOTE
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Attribution
http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/
License (abréviation « cc-by »), Version 2.5..
;()3,+,:4(;0Ï9,:
I.
Chimie environnementale ____________________________________ 3
II.
Cours et connaissances requises ______________________________ 3
III.
Le temps _________________________________________________ 3
IV.
Le matériel _______________________________________________ 3
V.
Justification du cours _______________________________________ 3
VI.
Vue générale du module _____________________________________ 4
6.1 Aperçu _______________________________________________ 4
6.2 Plan ____ _____________________________________________5
6.3 Représentation graphique ________________________________ 6
VII. Objectifs générale __________________________________________ 7
VIII. Les objectifs spécifiques d’apprentissage ________________________ 7
IX.
Activité d'enseignement et apprentissage ________________________ 8
X.
Activité apprentissage ______________________________________ 13
XI.
Glossaire ________________________________________________ 89
XII. Lectures obligatoires_______________________________________ 90
XIII. Liens utiles ______________________________________________ 93
XIV. Synthèse du module _______________________________________ 98
XV. Évaluation sommative ______________________________________ 99
XVI. Références _____________________________________________ 106
XVII. Auteur principal du module ________________________________ 107
XVIII. Rapport étudiant ________________________________________ 107
0 *OPTPLLU]PYVUULTLU[HSL
Par Dr. Dejene Ayele Tessema
00 *V\YZL[JVUUHPZZHUJLZYLX\PZLZ
Avant de suivre ce cours, les étudiants doivent réviser les chapitres précédents de
leur cours d’introduction à la chimie.
-
Loi des gaz parfaits et propriétés des gaz
Solutions et unités de concentration
Équilibre chimique
Équilibre ionique
Réactions acide-base et équilibre acido-basique
000;LTWZUtJLZZHPYLnJOHX\LJOHWP[YL
Chapitre I.
Chapitre II
Chapitre III.
Chapitre IV.
L’environnement (25 hrs)
Chimie atmosphérique et pollution de l’air (35 hrs)
Chimie et pollution des eaux (35 hrs)
Chimie et pollution des sols (25 hrs)
0=4H[tYPLS
Pour chaque chapitre de ce module, les étudiants ont besoin
-
D’un ordinateur avec accès à internet, pour pouvoir accéder aux liens et aux
ressources gratuites pertinentes
Du CD-Rom qui accompagne ce module par des lectures supplémentaires et
qui donne les réponses aux exercices de chaque activité d’apprentissage.
= 1\Z[PÄJH[PVUK\JV\YZ
De quoi parle-t-on ?
Les grandes quantités de substances chimiques produites par les industries modernes ont permis à l’humanité d’accéder à un niveau et à une qualité de vie inégalés.
Cependant, cela a entraîné une dégradation de l’environnement. Pour améliorer la
qualité de l’environnement, les gens ont besoin d’un certain niveau de connaissance
en chimie environnementale. Les professeurs de chimie se doivent donc de connaître
les enjeux environnementaux et de les transmettre à la société civile par le biais de
leurs étudiants.
L’objectif général de ce cours est d’acquérir une compréhension des processus chimiques fondamentaux, qui sont au centre d’une série de problèmes environnementaux,
et d’utiliser cette connaissance pour évaluer ces problèmes de manière critique.
Les objectifs spécifiques sont de :
-
Comprendre la chimie de la couche d’ozone stratosphérique et les processus
importants intervenant dans la diminution de la couche d’ozone;
Comprendre la chimie des processus troposphérique, ci-inclus le smog photochimique et les pluies acides;
Comprendre les principes physiques de base de l’effet de serre ainsi que
l’origine et le devenir des gaz à effet de serre
Comprendre la nature, la réactivité et le devenir environnemental des substances chimiques organiques toxiques
Comprendre les implications sociétales de certains problèmes environnementaux.
=0=\LNtUtYHSLK\TVK\SL
6.1. Aperçu du module
Ce module met en application les principes fondamentaux de la chimie pour comprendre l’origine, devenir et la réactivité des différents composés dans des environnements
naturels et pollués. Les différentes subdivisions du milieu environnemental seront
abordées dans la première partie. Les conséquences possibles d’une surexploitation
des ressources naturelles seront expliquées pour permettre une appréciation des
conséquences catastrophiques des actes de négligence humaine. Les parties suivantes
mettront l’accent sur l’hydrosphère, l’atmosphère et les sols. Les questions environnementales abordées incluront les strates de l’atmosphère et les réactions chimiques qui
y ont lieu, la diminution de la couche d’ozone, les polluants atmosphériques et leur
origine, le réchauffement planétaire et les pluies acides, le changement climatique,
l’eau et ses propriétés, les réactions chimiques dans les plans d’eau, la pollution des
eaux et les sources des polluants, les sols, leurs formation, leurs caractéristiques et
leu pollution.
6.2 Plan du module
Chapitre I L’environnement (25 hrs)
Introduction
Consommation des ressources naturelles
Accroissement de la population et environnement
Environnement et urbanisation
Environnement et industrialisation
Chapitre II Chimie atmosphérique et pollution de l’air (35 hrs)
Chimie atmosphérique
Introduction
Atmosphère terrestre
Température et strates atmosphériques
Caractéristiques des principales régions de l’atmosphère
Pollution de l’air
&ODVVL¿FDWLRQGHVSROOXDQWVDWPRVSKpULTXHV
Principales sources des polluants atmosphériques
Pollution atmosphérique et pluies acides
Pollution atmosphérique et diminution de la couche d’ozone
Réchauffement planétaire
Solutions au problème
Chapitre III Chimie et pollution des eaux (35 hrs)
Chimie de l’eau
Propriétés de l’eau
Réaction chimiques dans les plans d’eau
Gaz dissouts dans l’eau
Phénomènes acide-base dans l’eau
Réactions de complexation dans l’eau
Pollution des eaux
Qualité de l’eau
Nature et type des polluants de l’eau
Caractérisation des eaux usées
Contrôle de la pollution des eaux
Exigences pour la qualité de l’eau
Chapitre IV Chimie et pollution des sols (25 hrs)
Chimie des sols
Introduction
Composition de sols
Formation des sols
Caractéristiques des sols
&ODVVL¿FDWLRQGHVVROV
Érosion des sols
Pollution des sols
Origine de la pollution des sols
Effet de la pollution des sols
Contrôle de la pollution des sols
6.3 Représentation graphique
Graphic Organizer
Environmental
Chemistry
Aquatic
chemistry
Soil
Chemistry
Water
pollution
Soil
Pollution
Atmospheric
chemistry
Air
pollution
=00
6IQLJ[PMNtUtYHS
Ce cours parle des problèmes environnementaux et des principes chimiques sousjacents. Son objectif est de vous permettre d’utiliser les connaissances chimiques
pour comprendre les problèmes environnementaux. Le but de ce cours est de vous
aider à comprendre, du point de vue d’un chimiste, comment améliorer la qualité de
l’environnement
=000 6IQLJ[PMZZWtJPÄX\LZK»HWWYLU[PZZHNL
Objectifs d’apprentissage
1. L’environnement
Familiariser les étudiants avec les subdivisions du milieu et expliquer les conséquences
SRVVLEOHVG¶XQHXWLOLVDWLRQH[FHVVLYHGHVUHVVRXUFHVQDWXUHOOHVD¿QG¶DPpOLRUHUODSULVH
de conscience des conséquences catastrophiques des actes de négligence.
2. Chimie et pollution de l’air
Expliquer la composante gazeuse de l’environnement, les variations verticales dans
la température de l’atmosphère et la chimie responsable des variations observées,
les processus comme la diminution de la couche d’ozone, l’effet de serre et le réchauffement planétaire
3. Chimie et pollution des eaux
Permettre une compréhension fondamentale des processus chimiques organiques et
inorganiques déterminant la composition de l’environnement aquatique et le devenir
des polluants dans un environnement aquatique
4. Chimie et pollution des sols
Familiariser les étudiants avec les principaux composants des sols et la manière
dont ils sont formés. Introduire certaines caractéristiques importantes des sols, leur
FODVVL¿FDWLRQHWOHVGLIIpUHQWHVVRXUFHVGHSROOXWLRQGHVVROV
0?(J[P]P[tZK»LUZLPNULTLU[L[
K»HWWYLU[PZZHNL
Pré-requis
TITRE : Pré-requis pour le cours de chimie environnementale
JUSTIFICATION : Ce test est destiné à évaluer le niveau actuel de vos connaissances en
chimie. Sa réussite est une condition préalable pour un apprentissage réussi de ce
module
Questions
1.
Une solution contient 15 g de glucose (sucre de table) et 60 g d’eau. Quel est
le pourcentage (masse/masse) de la solution de glucose
a) 20%
2.
b) 2%
c) 11,0 M
d) 1,0 M
b) 1,0 x 10-8
c) 1,0 x 10-9
d) 1,0 x 10-7
Une solution d’ammoniaque a une [OH-] de 1 x 10-3. Quel est le pH de cette
solution ?
a) 8
5.
b) 0,01 M
Une solution a une concentration [H3O+] de 1 x 10-5. Quelle est la [OH-] de
cette solution ?
a) 1,0 x 10-5
4.
d) 5%
Quelle est la molarité d’une solution de 100 ml préparée à l’aide de 11 g de
CaCl2 et d’eau ?
a) 0,1 M
3.
c) 0.2%
b) 11
c) 3
d) 1.0 x 10-11
Quel est le nom de la partie de la Terre sur laquelle vivent les êtres humains et
de laquelle ils extraient leur nourriture, minéraux et combustibles ?
a) l’environnement b) la géosphère c) l’atmosphère d) la biosphère
/HSURFHVVXVSDUOHTXHOOHVSODQWHV¿[HQWO¶pQHUJLHVRODLUHHWOHFDUERQHGX
CO2 atmosphérique sous la forme d’une biomasse hautement énergétique,
représentée par {CH2O} est connue comme :
DOD¿[DWLRQEODFDUERQDWDWLRQVRODLUHFODWUDQVSLUDWLRQGODSKRWRV\Qthèse
7.
Quand un mélange de gaz est en contact avec la surface d’un liquide, la solubilité d’un gaz donné dans le liquide
a)
b)
c)
d)
est proportionnelle à la température du liquide
est proportionnelle à la pression partielle de ce gaz en contact avec le liquide
est proportionnelle à la pression totale exercée par le mélange de gaz
aucune de ces réponses
8.
Quel est le produit gazeux formé par la combustion complète de combustible
fossile ?
a) le dioxyde de carbone b) le monoxyde de carbone c) le carbone d) l’azote
9.
Quel gaz de l’atmosphère contribue le plus au réchauffement planétaire ?
a) le dihydrogène b) le diazote c) le dioxyde de carbone d) le monoxyde de
carbone
10. Laquelle de ces propositions entraîne une diminution de la couche d’ozone?
a) augmentation de la consommation des combustibles fossiles
b) augmentation du smog photochimique dans les villes
c) augmentation de la température des océans liée au réchauffement global
d) augmentation de l’utilisation des produits chimiques dans les réfrigérateurs
et les bombes aérosols
11. Quel est la preuve la plus probable du réchauffement planétaire ?
a)
b)
c)
d)
augmentation de la sécheresse dans des régions d’Afrique
augmentation de la calotte glacière au Pôle Sud
amincissement des anneaux de croissance des arbres en Europe du Nord
diminution des stocks de poissons dans l’océan Atlantique
12. La norme de qualité de l’air pour le monoxyde de carbone (basées sur une mesure durant 8 heures) est de 9 ppm. Quand cette norme est exprimée en mg/m3
à 1 atm et 25 °C, cette valeur est de :
a) 0,01 mg/m3 b) 37 mg/m3 c) 0,009 mg/m3 d) 10,3 mg/m3
13. L’atmosphère terrestre est une couche de gaz entourant la planète et retenue
autour de la Terre par la gravité. Parmi les gaz suivants, lequel est présent en
plus grande quantité ?
a) le dioxygène b) le diazote c) le dihydrogène d) le dioxyde de carbone
14. La solubilité du carbonate de calcium peut être calculée comme suit :
En condition d’équilibre dans l’eau, et en absence d’air, le pH du CaCO3 = 9,95 et
la [Ca2+] = 1,26 x 10-4, alors qu’en présence d’air, le pH = 8,40 et la [Ca2+] = 3,98 x
10-4. Quelle est la cause de l’augmentation de la [Ca2+] observée ?
a) dissolution du CaCo3 par le CO2 atmosphérique dissout dans l’eau
b) déplacement de l’équilibre vers la droite, à cause d’une augmentation de
pression
c) déplacement de l’équilibre vers la droite, dû à la dissolution du CO2 atmosphérique
d) aucune de ces réponses
15. Quand on se déplace du niveau de la mer vers des altitudes supérieures, la
température de l’atmosphère
a)
b)
c)
d)
diminue petit à petit
augmente petit à petit
diminue et augmente tour à tour
reste constante
16. Laquelle des propositions suivantes est une raison de s’inquiéter de la réduction de la concentration d’ozone stratosphérique ?
a) augmentation des cas de cancer liée à l’augmentation des rayons UV atteignant la surface de la Terre
b) augmentation de l’ozone troposphérique, qui cause un risque pour la santé
chez l’Homme
c) effet des rayons UV sur les cyanobactéries, une bactérie de laquelle nombre de plantes économiquement importantes dépendent pour leur rétention
azotée
d) toutes ces propositions
17. La cause de la diminution de la couche d’ozone est associée à
D ODSUpVHQFHGHSURGXLWVFKORURÀXURFDUERQpVHWGHVFRPSRVpVKDORFDUEXUpV
reliés, servant de source au dichlore gazeux
b) l’augmentation des gaz à effet de serre
c) l’augmentation des rayonnements solaires UV
d) la présence d’oxydes servant de source d’oxygène
18. L’eau possède certaines propriétés uniques. Une de celles-ci détermine le
transfert de chaleur entre l’atmosphère et les plans d’eau. Quelle est-elle ?
a) l’eau a la constante diélectrique la plus élevée parmi les liquides communs
b) l’eau a la plus haute chaleur d’évaporation que n’importe quelle autre substance
c) l’eau a une densité maximale en tant que liquide à 4°C
d) l’eau a la constante diélectrique la plus élevée parmi les liquides communs
19. Les aldéhydes sont des molécules hautement réactives présentes dans l’environnement. Ils peuvent également être produits lors de la transformation de
xénobiotiques ou du métabolisme endogène. Laquelle des structures moléculaires suivantes est un aldéhyde ?
a)
b)
c)
d)
20. La dégradation bactérienne de la biomasse des eaux usées, {CH2O}, peut se
produire en conditions aérobie ou anaérobie. Laquelle de ces équations représente la dégradation anaérobie de la biomasse ?
a)
b)
c)
d)
CH2O + O2 A CO2 + H2O
2 CH2O + O2 A CO2 + CH4
2 CH2O A CO2 + CH4
CH2O A CO2 + O2
Réponses
Titre du pré-requis : Test pré-requis pour le cours de chimie environnementale
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
a) 20%
d) 1,0 M
c) 1,0 x 10-9
b) 11
b) la géosphère
d) la photosynthèse
b) est proportionnelle à la pression partielle de ce gaz en contact avec le liquide
8. a) le dioxyde de carbone
9. c) le dioxyde de carbone
10. d) augmentation de l’utilisation des produits chimiques dans les réfrigérateurs
et les bombes aérosols
11. a) augmentation de la sécheresse dans des régions d’Afrique
12. d) 10,3 mg/m3
13. b) l’azote
14. a) dissolution du CaCo3 par le CO2 atmosphérique dissout dans l’eau
15. c) diminue et augmente tour à tour
16. d) toutes ces propositions
DODSUpVHQFHGHSURGXLWVFKORURÀXURFDUERQpVHWGHVFRPSRVpVKDORFDUEXUpV
reliés, servant de source au chlore gazeux
18. b) l’eau a la plus haute chaleur d’évaporation que n’importe quelle autre
substance
19. c)
20. c) 2 CH2O à CO2 + CH4
Remarque pédagogique pour les étudiants
Cher étudiant, le test préliminaire ci-dessus a pour but d’évaluer votre connaissance
sur certains concepts généraux de chimie, comme les calculs de concentration, le
calcul de pH, la solubilité, les équilibres chimiques, la chimie organique et quelques
concepts généraux de chimie environnementale, qui sont indispensables à la compréhension de ce cours de chimie environnementale. Si vous avez moins de 50% à ce
test, il vous est recommandé de réviser les chapitres mentionnés avant de poursuivre
l’étude de ce présent chapitre.
?(J[P]P[tZKHWWYLU[PZZHNL
Activité d’apprentissage N° 1
L’environnement
Résumé de l’activité d’apprentissage
Pour donner à l’étudiant un clair aperçu des différentes composantes de l’environQHPHQWFHWWHDFWLYLWpG¶DSSUHQWLVVDJHSUpVHQWHXQHYXHG¶HQVHPEOHGHVGp¿QLWLRQV
de l’environnement et des sections qui le constituent. Y sont également abordés les
impacts écologiques de l’utilisation non raisonnée des ressources naturelles, les impacts environnementaux de l’industrialisation et l’accroissement de la population.
¬OD¿QGHFHWWHDFWLYLWpG¶DSSUHQWLVVDJHO¶pWXGLDQWGHYUDLWrWUHFDSDEOHGH
-
Décrire les différentes sections de l’environnement
Discuter des conséquences environnementales de l’utilisation des ressources
naturelles
Décrire les impacts environnementaux de l’accroissement de la population et
de l’urbanisation
'LVFXWHU GHV LQÀXHQFHV GH O¶XUEDQLVDWLRQ VXU OD SROOXWLRQ GH O¶HQYLURQQHment
Liste des lectures pertinentes
1. Carl H. Snyder; Chemicals, Pollution, and the Environment, the meaning of
pollution, in The Extraordinary Chemistry of Ordinary Things, third edition,
John Wiley & Sons, Inc, 1998
2. Manahan, Stanley E. “Environmental Science, Technology, and Chemistry”
Environmental Chemistry, 2000
3. Environmental Chemistry, http://www.chem1.com/chemed/digtexts.shtml
Liste des ressources pertinentes
Un ordinateur avec connexion internet pour accéder aux liens et aux ressources écrites
gratuites pertinentes
Un CD-Rom accompagnant ce module pour des lectures supplémentaires et pour
YpUL¿HUOHVUpSRQVHVDX[H[HUFLFHVGRQQpVGDQVO¶DFWLYLWpG¶DSSUHQWLVVDJH
Liste des liens utiles
1. Introduction to Environmental Science, in Textbook Revolution: Taking the Bite
out of Books at http://www.textbookrevolution.org/earth-sciences
2. Water Resources, Wastewater Treatment, Fossil Fuels, in VIRTUAL CHEMBOOK, at http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/index.html
3. Survey of Environmental Geobiochemistry, in Resources for Chemistry Educators, Digital Texts, at http://www.chem1.com/chemed/digtexts.shtml This link
provides an overview of “environmental chemistry” in its broadest context:
the chemical evolution and constitution of the lithosphere, hydrosphere, atmosphere, and biosphere.
Chapitre I – L’environnement (25 hrs)
-
1.1
Introduction
Utilisation des ressources naturelles
Environnement et accroissement de la population
Environnement et urbanisation
Environnement et industrialisation
Introduction
7RXVOHVIDFWHXUVH[WHUQHVTXLDIIHFWHQWXQRUJDQLVPHSHXYHQWrWUHGp¿QLVFRPPH
l’environnement. Ces facteurs peuvent être d’autres organismes vivants, mais aussi
des variables non vivantes, tels l’eau, le sol, le climat, la lumière ou le dioxygène.
/¶HQYLURQQHPHQWQ¶HVWMDPDLVVWDWLTXH'HVIRUFHVSK\VLTXHVPRGL¿HQWFRQWLQXHOOHment la surface de la Terre, que ce soit le climat, l’action des vagues ou des phénomènes naturels comme les volcans. Dans le même temps, ces forces introduisent des
gaz, des vapeurs et de la poussière dans l’atmosphère. Les organismes vivants jouent
également un rôle dynamique par leur respiration, leurs excrétions, leur mort et leur
décomposition, qui recycle leurs éléments constitutifs dans l’environnement.
Tout comme notre univers physique est divisé en substances solide, liquide et gazeuse,
notre environnement physique est, par convenance, divisé en atmosphère, géosphère,
hydrosphère, biosphère, anthroposphère et IDXQHHWÀRUH. Ceci sera illustré dans
la suite du cours en utilisant les différentes subdivisions de l’environnement comme
des entités séparées.
1.1.1.
L’atmosphère
L’atmosphère est l’enveloppe gazeuse qui entoure le corps solide de la planète.
Bien que son épaisseur soit supérieure à 1100 km, environ la moitié de sa masse est
concentrée dans les 5,6 km inférieurs.
L’atmosphère
-
-
Est une couche protectrice qui permet la vie sur Terre et la protège de l’environnement hostile de l’espace
Est la source du dioxyde de carbone nécessaire à la photosynthèse des plantes
et de l’oxygène nécessaire à la respiration
Fournit le diazote, un composé essentiel des molécules de la vie, nécessaire
DX[EDFWpULHV¿[DWULFHVG¶D]RWHHWDX[XVLQHVGHIDEULFDWLRQG¶DPPRQLDTXH
D¿QGHSURGXLUHGXGLD]RWH
Transporte l’eau des océans vers les terres, agissant donc comme un grand
condensateur dans un distillateur géant, mu par l’énergie solaire
A des fonctions protectrices vitales, vu qu’elle absorbe les rayonnements
ultraviolets nocifs du soleil et qu’elle stabilise la température de la planète.
1.1.2.
L’hydrosphère
L’hydrosphère est la couche d’eau qui, sous la forme des océans, couvre approximativement 70,8 % de la surface terrestre.
L’eau :
-
-
Couvre environ 70 % de la surface de la Terre et plus de 97 % de cette eau se
trouve dans les océans
Est présente dans toutes les sphères de l’environnement : dans l’océan sous
la forme d’un grand réservoir d’eau salée, dans les eaux de surface des terres
émergées sous la forme des lacs et des rivières, en dessous de la terre sous la
forme d’eau souterraine, dans l’atmosphère sous la forme de vapeur d’eau,
dans les calottes polaires sous la forme de glace solide et dans de nombreuses
parties de l’anthroposphère : dans les chaudières et les systèmes municipaux
de distribution d’eau
Est un constituant essentiel de tous les organismes vivants et est le milieu à
partir duquel la vie a évolué et dans lequel la vie existe
Transporte l’énergie et la matière entre les différentes sphères de l’environnement
Lessive les constituants solubles des minéraux et les transporte jusqu’aux
océans ou les abandonne sous forme de dépôts minéraux à une certaine distance de leur source
-
Transporte les nutriments du sol dans le corps des plantes au travers de leurs
racines
Absorbe l’énergie solaire dans les océans. Quand l’eau s’évapore des océans,
cette énergie est transportée sous forme de chaleur latente et libérée à l’intérieur
des terres. La libération de chaleur latente concomitante fournit une grande
partie de l’énergie qui est transportée des régions équatoriales vers les pôles
et qui cause tempêtes et ouragans
-
1.1.3.
La géosphère
La géosphère est la partie de la Terre sur laquelle les humains vivent et à partir de
laquelle ils extraient la majorité de leur alimentation, des minéraux et des carburants.
Elle est divisée en plusieurs couches : le noyau interne solide, riche en fer, le noyau
externe en fusion et la lithosphère, qui est constituée du manteau supérieur et de
l’écorce terrestre.
La science de l’environnement s’occupe principalement de la lithosphère.
-
La lithosphère s’étend jusqu’à 100 km de profondeur et comprend deux couches, l’écorce terrestre et le manteau supérieur
L’écorce terrestre (couche externe de la terre) est la couche accessible aux
rWUHVKXPDLQV(OOHHVWWUqV¿QHjNPG¶pSDLVVHXUHQFRPSDUDLVRQGX
diamètre de la Terre
-
Inner core
Outer core
Gutenberg discontinuity
Lower mantle
Lithosphere
Asthenosphere
Transition zone
Transition zone
Upper mantle
Mohorovich discontinuity
Crust
Fig 1.1.deInner
structure of the earth
Fig. 1.1. Structure interne
la Terre
1.1.4.
La biosphère
La biosphèreHVWXQHFRXFKHG¶DLUG¶HDXHWGHVROUHODWLYHPHQW¿QHTXLSHXWVXSSRUWHU
la vie. Son épaisseur est d’environ 10 km dans l’atmosphère et va jusqu’au bas-fond
océanique. La vie dans la biosphère dépend de l’énergie solaire et de la circulation
de la chaleur et des nutriments essentiels.
La biosphère
-
1.1.5.
Est virtuellement contenue dans la géosphère et l’hydrosphère et dans la très
¿QHLQWHUIDFHTXHFHVVSKqUHVRQWDYHFO¶DWPRVSKqUH
,QÀXHQFH HW HVW IRUWHPHQW LQÀXHQFpH SDU OHV DXWUHV SDUWLHV GH O¶HQYLURQQHment
,QÀXHQFHIRUWHPHQWOHVSODQVG¶HDXTXLSURGXLVHQWODELRPDVVHQpFHVVDLUHj
la vie et qui sont l’intermédiaire des réactions d’oxydoréduction dans l’eau
Est impliquée dans les processus d’érosion qui détériorent les roches dans la
géosphère et transforment la matière rocheuse en terre
(VW EDVpH VXU OD SKRWRV\QWKqVH GHV SODQWHV TXL ¿[H O¶pQHUJLH VRODLUH K et le carbone du CO2 atmosphérique sous la forme de biomasse hautement
énergétique, représentée sous la forme {CH2O}
L’anthroposphère
&¶HVW OH QRP GRQQp j OD SDUWLH GH O¶HQYLURQQHPHQW ©IDLWHª RX PRGL¿pH SDU OHV
KXPDLQVHWXWLOLVpHSRXUOHXUVDFWLYLWpV%LHQVUFHWWHGp¿QLWLRQUHQIHUPHFHUWDLQHV
ambiguïtés. De façon claire, une usine fait partie de l’anthroposphère, tout comme
un bateau transportant les marchandises faites dans cette usine sur l’océan. L’océan
sur lequel le bateau navigue appartient à l’hydrosphère, même s’il est clairement
utilisé par les humains.
L’anthroposphère :
-
A des connections importantes avec la biosphère
$IRUWHPHQWLQÀXHQFpODELRVSKqUHHWO¶DPRGL¿pHGHPDQLqUHGUDVWLTXH3DU
exemple, la destruction de l’habitat sauvage a entraîné l’extinction d’une
grande quantité d’espèces, dans certains cas avant même qu’elles ne soient
GpFRXYHUWHV/HJpQLHELRORJLTXHTXLPRGL¿HGHVRUJDQLVPHVDYHFOHVWHFKnologies de l’ADN recombinant et les méthodes plus anciennes de sélection et
G¶K\EULGDWLRQHQWUDvQHQWG¶LPSRUWDQWHVPRGL¿FDWLRQVGDQVOHVFDUDFWpULVWLTXHV
des organismes et entraîneront sans aucun doute des bouleversements encore
plus frappants dans l’avenir.
C’est de la responsabilité de l’humanité de faire ces changements de manière
intelligente et de protéger et de conserver la biosphère
1.1.6.
La flore et la faune
/D IDXQH HW OD ÀRUH VRQW GHX[ WHUPHV FROOHFWLIV SRXU GpVLJQHU UHVSHFWLYHPHQW OHV
animaux et les plantes. Les différentes sections de l’environnement interagissent
FRQWLQXHOOHPHQWDYHFODÀRUHHWODIDXQH/¶écosystèmeHVWGp¿QLFRPPHXQHQVHPEOH
d’organismes qui interagissent entre eux et avec leur environnement, dans lequel la
matière est échangée de manière cyclique. L’habitat est l’environnement dans lequel
vit un organisme en particulier.
Nous avons donc discuté jusqu’à présent des différentes sections de l’atmosphère.
Même si, pour rendre le cours facile, nous avons divisé l’environnement en difféUHQWHVVHFWLRQVOHVLQWHUDFWLRQVHQWUHFHVVHFWLRQVVRQWLQ¿QLHV7RXWHVOHVSDUWLHVGH
l’environnement sont sujettes aux changements drastiques causés par l’usage excessif
des ressources naturelles par l’homme.
1.2.
Consommation des ressources naturelles
'DQVOHVGHUQLHUVGHX[VLqFOHVHWGHPLODUpYROXWLRQLQGXVWULHOOHDPRGL¿pO¶DSSDrence de la planète à un niveau alarmant en consommant les ressources naturelles,
particulièrement les combustibles fossiles. Chaque année, la consommation des
ressources naturelles augmente, parallèlement à l’accroissement de la population et
à l’augmentation de la qualité de vie.
Dans la suite de ce cours, nous discuterons des conséquences environnementales possibles qui accompagnent la surconsommation des ressources naturelles (combustibles
fossiles, bois, eau, terre et énergie) par les êtres humains.
1.2.1
Les combustibles fossiles
Les combustibles fossiles (pétrole, charbon et gaz naturel) sont des substances riches en énergie qui proviennent de plantes et de microorganismes enfouis sous terre
depuis longtemps. Ils fournissent la majorité de l’énergie qui alimente les sociétés
industrielles modernes. L’essence de nos voitures, le charbon de la plupart des usines
électriques et le gaz naturel de nos foyers sont tous des combustibles fossiles.
Les combustibles fossiles sont largement composés d’hydrocarbures qui se sont formés à partir d’anciens organismes vivants enterrés sous des couches de sédiments,
il y a des millions d’années. Ces combustibles sont extraits de l’écorce terrestre et
UDI¿QpVHQFDUEXUDQWVHVVHQFHPD]RXWGHFKDXIIDJHRXNpURVqQH&HUWDLQVGHFHV
hydrocarbures peuvent aussi être transformés en matières plastiques, en produits
FKLPLTXHVHQOXEUL¿DQWVHWHQG¶DXWUHVSURGXLWVQRQFRPEXVWLEOHV/HVFRPEXVWLEOHV
fossiles les plus utilisés sont le pétrole, le charbon et le gaz naturel.
Une fois extraits et transformés, les combustibles fossiles peuvent être brûlés pour une
utilisation directe (déplacement d’une voiture, chauffage d’une maison) ou indirecte
(production d’électricité).
Quelles en sont les conséquences ?
Au cours du siècle dernier, la quantité de dioxyde de carbone de l’atmosphère a augmenté de façon spectaculaire, principalement à cause de la consommation des combustibles fossiles. Ceci a entraîné une augmentation de la température de la planète.
Les conséquences d’une telle hausse de température peuvent se révéler dangereuses.
Le niveau de la mer va monter, submergeant complètement un certain nombre d’îles
de faible altitude et inondant de nombreuses villes côtières. Cela entrainera également
l’extinction de diverses espèces de plantes et d’animaux. Les zones agricoles seront
perturbées et les épisodes de sécheresse vont augmenter.
1.2.2
Bois et forêts
Les forêts sont très importantes dans le maintien de l’équilibre écologique. Elles
offrent de nombreux avantages environnementaux. En dehors de la production de
papier et de bois de construction, les forêts sont un habitat pour la faune sauvage, elles
SUpYLHQQHQWOHVFUXHVHWO¶pURVLRQGHVVROVHOOHVSXUL¿HQWO¶DLUHWO¶HDXHWUHQIHUPHQW
une incroyable biodiversité. Les forêts représentent aussi une défense importante
contre les changements climatiques. Elles produisent du dioxygène et via la photosynthèse, consomment du dioxyde de carbone, le composé le plus impliqué dans le
réchauffement global, ce qui en limite les effets.
A
B
)LJ/DGpIRUHVWDWLRQHQWUDvQHODGpVHUWL¿FDWLRQ
(A) une forêt conservée, (B) Le désert.
Les forêts sont l’habitat d’une grande variété de plantes et d’animaux. Elles ont
d’autres fonctions importantes pour l’homme. La canopée (le sommet des arbres)
HWOHV\VWqPHUDFLQDLUHVRQWGHV¿OWUHVQDWXUHOVSRXUO¶HDXTXHQRXVSXLVRQVGHVODFV
et des rivières. Quand il pleut, la canopée intercepte et redistribue les précipitations
qui, sans cela, causeraient des inondations, de l’érosion et la destruction de la couche
arable. Une partie des précipitations coule le long des troncs et ruisselle, alors que
le reste percole au travers des branches et des feuilles pour devenir des précipitations au sol. La canopée peut également capter le brouillard, ce qui le disperse dans
la végétation et dans le sol. Les forêts augmentent également la capacité du sol à
emmagasiner de l’eau.
1.2.3.
Les sols
Le sol, un mélange de matières minérales, végétales et animales, est essentiel à la
croissance de la plupart des plantes et est la ressource primaire des productions agricoles. De par le monde, l’érosion a ravagé les sols lors des processus de transformation
des terres en terres agricoles et de destruction de la végétation, qui retenait l’eau et la
terre en place. Dans les pays tropicaux, la déforestation rapide est particulièrement
GRPPDJHDEOHGXIDLWTXHOD¿QHFRXFKHGHWHUUHUHVWDQWHHVWIUDJLOHHWHVWUDSLGHPHQW
délavée par les pluies tropicales. Globalement, l’agriculture est responsable de la
dégradation de 28 % des près de deux milliards d’hectares de terres dégradées par
l’activité humaine, alors que le surpâturage est responsable de 34 % et la déforestation de 29 %.
1.2.4.
L’eau
Les ressources en eau douce propre sont indispensables à différentes activités humaines : boire, cuisiner, se laver, irriguer les terres, alimenter l’industrie, mais aussi à la
survie des plantes et des animaux. À cause de la surconsommation, de la pollution
et de la dégradation des écosystèmes, les réserves d’eau douce, les nappes phréatiques (eau située sous la surface), les réservoirs et les rivières, subissent de sévères
et continuelles pressions environnementales. Plus de 95 % des eaux usées des villes
des pays en voie de développement sont libérées non traitées dans les eaux de surface
comme les rivières et les ports.
Environ 65 % des réserves d’eau douce sont utilisées par l’agriculture et 25 % sont
utilisés par l’industrie. La conservation de l’eau douce nécessite donc une réduction
GXJDVSLOODJHFRPPHXQHLUULJDWLRQLQHI¿FDFHHWGHVUpIRUPHVGDQVO¶DJULFXOWXUHHW
l’industrie, ainsi qu’un contrôle strict de la pollution au niveau mondial.
1.2.5.
L’énergie
Au cours de l’histoire, les êtres humains ont toujours produit et utilisé de l’énergie. Les
hommes utilisent de l’énergie pour la production industrielle, le transport, le chauffage,
le refroidissement, la cuisine et l’éclairage. Au niveau mondial, les réserves d’énergie
dépendent de différentes ressources. Les combustibles traditionnels, comme le bois
de chauffage et les matières fécales animales par exemple, sont une source importante
d’énergie dans de nombreux pays en voie de développement. Les combustibles fossiles
comptent pour plus de 90 % de la production globale d’énergie, mais leur utilisation
pollue l’air et ils sont considérés comme une ressource problématique.
Un des facteurs les plus importants qui aggrave la dégradation de l’environnement est
l’accroissement de la population. Les besoins en nourriture et en abris supplémentaires qui accompagnent l’accroissement de la population va renforcer la déforestation,
l’utilisation de plus en plus de terres pour l’agriculture, l’utilisation de fertilisants,
l’endiguement des rivières et l’urbanisation. Ces activités contribueront par la suite
au déséquilibre écologique global et à la pollution environnementale. Dans le souschapitre suivant, nous allons brièvement étudier les impacts de l’accroissement de
la population sur l’environnement.
1.3.
Environnement et accroissement de la population
La population mondiale augmente à un taux alarmant. Entre 1930 et actuellement, elle
est passée de 2 à 5,3 milliards d’individus. Et on s’attend à ce qu’elle dépasse les 8
milliards d’individus en 2050. Les exigences de cette population croissante, couplées
au désir de la plupart des gens d’avoir un niveau de vie plus élevé, donneront lieu à
une pollution massive à l’échelle mondiale.
Les problèmes environnementaux ont déjà entraîné un manque de nourriture, d’eau
douce, d’abri et d’autres ressources essentielles. Alors que les forêts, les terres, l’air
et l’eau sont dégradées, les gens qui vivent directement de ces ressources naturelles
souffrent le plus de cette pénurie.
La dégradation de l’environnement global est le résultat d’un ensemble de facteurs,
incluant la surpopulation et la surutilisation concomitante des terres et des autres
ressources. L’élevage intensif, par exemple, épuise la fertilité des sols et diminue le
rendement des récoltes. La pollution entraîne également une dégradation de l’environnement. Les industries polluantes sont, entre autres, l’industrie minière, la production
d’énergie ou la fabrication de substances chimiques. D’autres sources importantes de
pollution sont les automobiles et les fertilisants utilisés en agriculture.
Dans les pays en voie de développement, la déforestation a eu des effets environnementaux particulièrement dévastateurs. Les populations rurales, particulièrement
dans les régions tropicales, dépendent de la forêt qui leur procure de la nourriture et
d’autres ressources. La déforestation abîme ou détruit ces réserves. Les forêts absorbent également de nombreux polluants et l’eau des fortes pluies. Sans les forêts,
la pollution augmente et les zones déboisées deviennent inutilisables à cause des
inondations massives.
La mauvaise gestion des terres et l’accroissement de la population sont des facteurs qui
promeuvent une augmentation de l’irrigation, une agriculture incorrecte ou excessive
et une augmentation du cheptel. Tout ceci transforme les terres et le sol, diminue les
UHVVRXUFHVHWDXJPHQWHOHVULVTXHVGHGpVHUWL¿FDWLRQ
1.4.
Urbanisation et environnement
Au cours des dernières années, l’urbanisation des zones rurales s’est accrue. Alors que
l’agriculture, les services locaux traditionnels et les industries de petite taille ont cédé
la place à des industries modernes, le commerce pratiqué dans les villes attire, pour
sa subsistance, les ressources d’un territoire de plus en plus fortement, ainsi que des
marchandises qui seront commercialisées ou transformées en produits manufacturés.
L’urbanisation est un des facteurs les plus importants d’aggravation de la dégradation
de l’environnement. Dans le sous-chapitre suivant, nous allons brièvement parler des
impacts de l’urbanisation sur l’environnement.
Démographiquement, le terme urbanisation sous-entend la redistribution des populations des zones rurales vers les zones urbaines. Le vingtième siècle a été le témoin
d’une urbanisation rapide de la population mondiale. En proportion, la population
urbaine a fortement augmenté, passant de 13 % (220 millions) en 1900 à 49 % (3,2
milliards) en 2005. Les projections pour l’avenir estiment que cette proportion atteindra 60 % (4,9 milliards) en 2030.
L’urbanisation est un phénomène naturel associé à la recherche d’emplois, d’éducation, d’habitat et de transport. Elle permet de diminuer les dépenses de déplacement et de transport. Vivre en ville permet aux individus et aux familles d’avoir les
avantages de la proximité, de la diversité et de la compétitivité du marché. Avec
XQHSODQL¿FDWLRQFRUUHFWHHWXQHYLVLRQjORQJWHUPHFHPRGHG¶KDELWDWSHUPHWGHV
économies d’échelle qui peuvent réellement réduire les pressions démographiques
sur les ressources naturelles et augmenter le rendement énergétique. Vu que les gens
vivent à proximité les uns des autres et qu’ils ont besoin de moins d’espace dans les
villes, chaque personne a besoin de moins d’infrastructure clef comme les égouts,
les lignes électriques et les routes que dans des habitats décentralisés. Cependant, en
même temps que les avantages sociaux et économiques de l’urbanisation, viennent
un certain nombre de problèmes environnementaux.
Dans les récentes décades, de précieuses terres arables ont dû subir la nouvelle menace posée par l’urbanisation des zones rurales. Des terres agricoles de choix ont été
morcelées et pavées pour créer des aires de stationnement et des rues. L’extension
croissante des villes a nécessité de plus en plus d’autoroutes. Suivant un cercle vicieux
continuel, la disponibilité de nouveaux systèmes d’autoroutes a rendu possible un
GpYHORSSHPHQWSOXVLQWHQVH/HUpVXOWDW¿QDODpWpODSHUWHGHWHUUHVWUqVSURGXFWLYHV
pour l’agriculture.
De par le monde, les villes comptent pour 75 % de la consommation d’énergie globale,
pour 80 % de l’émission des gaz à effet de serre et pour une part disproportionnée
de l’utilisation des ressources : nourriture, bois de construction, acier. À cause de
cela, l’air de la plupart des villes est pollué du fait de l’industrialisation galopante
et à l’augmentation des transports motorisés. La pollution de l’air des villes cause
environ un million de décès prématurés chaque année dans le monde.
1.5.
Industrialisation et environnement
/HVH[LJHQFHVHWOHVGpVLUHGHODSRSXODWLRQFURLVVDQWHRQWHQWUDvQpXQHLQWHQVL¿FDWLRQ
de l’industrialisation. Ces activités industrielles, réalisées à l’aide de technologies
modernes, offrent nourriture, abri et biens de consommation dont les hommes ont
besoin pour leur bien-être et leur survie.
Les procédés de fabrication industriels consistent en la synthèse de substances chimiques à partir de matières premières, la fonte de métal ou de matières plastiques ou
tout autre chose nécessaire à la production d’un produit particulier. Chaque procédé
porte en lui un risque de polluer l’air et l’eau et de produire des déchets dangereux.
Au plus tôt les considérations environnementales seront intégrées dans la conception
et le procédé de développement, au plus « environnemental » sera le procédé.
Au cours des 30 dernières années, la production industrielle a été une source majeure
de pollution dans les zones urbaines et un moteur important de l’utilisation intensive
des ressources
1.5.1
Pollution environnementale faisant suite à l’industrialisation
Essayez de répondre aux questions motivantes suivantes avant de commencer à lire
les notes données dans ce sous-chapitre et puis cherchez les réponses dans le texte
Avez-vous déjà vu le ciel au dessus d’une grande ville devenir nuageux ? À votre
avis, quels sont les composants d’un tel « nuage » ? Comment se forme-t-il ?
1.5.1.1.
Le smog et les pluies acides
La pollution atmosphérique est principalement due à l’unique activité humaine :
l’utilisation des combustibles fossiles (gaz naturel, charbon, pétrole) pour faire
fonctionner les industries et les véhicules à moteur. Ceci entraîne l’émission de composés chimiques toxiques, comme le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone,
les oxydes d’azote, le dioxyde de soufre et de minuscules particules solides, dont le
plomb présent dans l’essence des voitures, qu’on appelle des polluants atmosphériques
solides. Divers composés organiques volatils ou VOC pour volatile organic chemicals sont produits à partir des combustibles incomplètement brûlés et contaminent
également l’atmosphère.
Le dioxyde de carbone est l’un des gaz à effet de serre qui contribue de manière siJQL¿FDWLYHDXUpFKDXIIHPHQWJOREDO/HVpPLVVLRQVGHGLR[\GHGHVRXIUHHWG¶R[\GHV
d’azote sont les principales causes des pluies acides dans de nombreuses parties de la
planète. Le dioxyde de soufre et les oxydes d’azote une fois émis dans l’atmosphère
sont absorbés par les pluies sous forme d’acide sulfurique et d’acide nitrique. Ces
acides sont toxiques pour les poumons et rongent tout ce qui est composé de calcaire,
de marbre ou de métal.
Le smog est un type de pollution atmosphérique produite lorsque la lumière du soleil
agit sur les gaz d’échappement des voitures pour produire des substances dangereuses
comme l’ozone (O3), les aldéhydes et le nitrate de peroxyacétyle (PAN). Avant l’ère
automobile, la majorité du smog provenait de la combustion du charbon. Aujourd’hui,
la combustion de l’essence dans les véhicules à moteur est la source principale du
smog dans la plupart des régions du monde. Activés par la lumière du soleil, les oxydes d’azote et les composés organiques volatils réagissent dans l’atmosphère pour
produire le smog photochimique. L’ozone de la basse atmosphère est un poison : il
endommage la végétation, tue les arbres, irrite les tissus pulmonaires et attaque le
caoutchouc.
Le smog rend les activités d’extérieur désagréables. Les conséquences du smog sont
plus aigües chez les jeunes enfants et les personnes âgées qui souffrent d’asthme et
GHSUREOqPHVFDUGLDTXHV/HVPRJFDXVHGHVGLI¿FXOWpVUHVSLUDWRLUHVGHVPDX[GH
tête et des vertiges. Dans les cas extrêmes, le smog peut causer une morbidité et une
mortalité massives, principalement à cause de l’empoisonnement au monoxyde de
carbone.
1.5.1.2
Pollution des eaux et des sols
L’agriculture et l’industrie minière ont profondément contribué à la pollution des
eaux et des sols. L’agriculture a rapidement transformé les vastes étendues de forêts
et de plaines en terres cultivées.
/¶LQGXVWULH PLQLqUH SHUWXUEH OH UpVHDX DTXLIqUH VRXWHUUDLQ /¶HDX TXL V¶LQ¿OWUH DX
WUDYHUVGHVPLQHVHWGHV¿ORQVPLQLHUVVHSROOXH/DS\ULWHRX)H2S, est un minerai
fréquemment associé au charbon. Dans les mines de charbon, un des effets les plus
communs et les plus dommageables sur l’eau a lieu lorsque ce minerai est exposé à
O¶DLUHWHVWR[\GpHQDFLGHVXOIXULTXHVRXVO¶DFWLRQGHFHUWDLQHVEDFWpULHVHWDFLGL¿H
les eaux de mine.
Durant le traitement des matières minières, différents procédés de valorisation sont
employés pour séparer la fraction utile du minerai, laissant des résidus chargés de
nombreuses substances chimiques qui polluent le sol et les plans d’eau des alentours.
Par exemple, les résidus de la valorisation du charbon sont enrichis en pyrite, Fe2S, qui
HVWR[\GpHPLFURELRORJLTXHPHQWHWFKLPLTXHPHQWHWDFLGL¿HOHGUDLQDJHPLQLHUHDX[
de mine acides) qui peut polluer le sol, les eaux de surface et les eaux souterraines.
1.5.1.3.
Changements climatiques
Les activités humaines ont atteint un point tel qu’elles affectent défavorablement le
climat. Le réchauffement global, dû à l’émission de grandes quantités de dioxyde de
carbone et d’autres gaz à effet de serre dans l’atmosphère, a entraîné des changements
FOLPDWLTXHVFRQVLGpUDEOHV'¶DXWUHVJD]SDUWLFXOLqUHPHQWOHVFKORURÀXRURFDUEXUHV
(fréons) qui peuvent détruire l’ozone stratosphérique, ont également un impact sur
le réchauffement global.
Évaluation formative
1. La portion de la géosphère qui est en contact direct avec l’atmosphère est
a) le noyau externe b) le manteau inférieur c) le manteau supérieur d) aucune
de ces réponses
2.
La couche de la géosphère qui est la plus touchée par l’activité humaine est
a) la lithosphère b) le manteau supérieur c) le manteau inférieur d) le noyau
externe
/D FRXFKH GH O¶DWPRVSKqUH UHODWLYHPHQW ¿QH OD JpRVSKqUH HW O¶K\GURVSKqUH
capable de supporter la vie est connue comme
a)
4.
l’anthroposphère b) la biosphère c) l’environnement d) la lithosphère
Laquelle parmi ces propositions ne contribue pas au réchauffement global ?
a) la déforestation b) l’utilisation de combustibles fossiles comme source
d’énergie c) le reboisement d) a & b
5.
La dégradation de l’environnement global peut être le fruit de
a) la sous-population b) l’existence de larges zones recouvertes de forêt naturelle
c) l’élevage intensif d) la protection de la vie sauvage
6.
En comparaison aux zones d’habitation décentralisées, laquelle de ces propositions est un avantage environnemental de l’urbanisation ?
a) réduction des pressions sur les ressources naturelles et augmentation du rendement énergétique
b) besoin en infrastructures critiques plus important par personne
c) conversion de terres agricoles en rues et en stationnements
d) industrialisation rapide et augmentation du transport motorisé
7. Les principales causes des pluies acides dans le monde sont
a)
b)
c)
d)
le dioxygène et le dioxyde de carbone
le méthane et le dioxyde de carbone
le dioxyde de soufre et les oxydes d’azote
le monoxyde et le dioxyde de carbone
8. Aujourd’hui, les principales sources de smog sont
a)
b)
c)
d)
les fertilisants et les pesticides utilisés dans les pratiques culturales modernes
les gaz polluants s’évaporant des plans d’eau étendus
l’élimination dangereuse de polluants organiques volatils
la combustion de l’essence dans les véhicules à moteur
9. Laquelle des propositions suivantes n’est pas applicable au smog ?
D
b)
c)
d)
LOUHQGODUHVSLUDWLRQGLI¿FLOH
il cause des maux de tête
il peut causer la mort
aucune de ces propositions
10. L’exposition de la pyrite à l’air entraîne la formation
a) de soufre b) d’acide sulfurique c) d’acide nitrique d) d’acide hydrochlorique
Réponses
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
a) la lithosphère
b) la biosphère
b) le reboisement
c) l’élevage intensif
a) réduction des pressions sur les ressources naturelles et augmentation du
rendement énergétique
b) le méthane et le dioxyde de carbone
d) la combustion de l’essence dans les véhicules à moteur
d) aucune de ces propositions
b) d’acide sulfurique
Chimie de l’atmosphère et pollution atmosphérique
L’atmosphère est un lien direct entre les activités industrielles, la biosphère, la lithosphère, l’océan et les êtres humains. En tant qu’étudiants en chimie environnementale,
YRXVGHYULH]rWUHFDSDEOHG¶DERUGHUDYHFXQKDXWQLYHDXVFLHQWL¿TXHGHVTXHVWLRQV
d’actualité tels les changements climatiques, la pollution atmosphérique, le devenir
des émissions industrielles ou la diminution de la couche d’ozone.
¬OD¿QGHFHWWHVHFWLRQYRXVGHYULH]rWUHFDSDEOH
-
D’expliquer la portée de la chimie atmosphérique et de décrire la composition
de l’atmosphère terrestre
'¶H[SOLFLWHUOHVUpJLRQVGHO¶DWPRVSKqUHGp¿QLHVVXUEDVHGHOHXUWHPSpUDture
D’expliciter les caractéristiques des principales régions de l’atmosphère
De décrire les réactions chimiques qui se passent dans l’atmosphère
'HGp¿QLUODSROOXWLRQGHO¶DLUHWG¶HQGpFULUHODSURYHQDQFHG¶RULJLQHQDWXUHOOH
ou d’origine humaine
D’expliquer les différentes façons de classer les polluants atmosphériques
D’expliquer la relation entre pollution atmosphérique et pluies acides
'HGpFULUHO¶LQÀXHQFHGHODSROOXWLRQDWPRVSKpULTXHVXUODGLPLQXWLRQGHOD
couche d’ozone et le réchauffement global
1. A.R. Meetham. D. W. Bottom, and S. Cayton, Atmospheric Pollution, 3rd ed.
New York: The MacMillan Company, 1964.
3. Environmental Issues, http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/index.
html
4. J. Greyson, Carbon, Nitrogen and Sulfur Pollutants and Their Determination
in Air and Water. New York: Marcel Dekker, 1990
1. Global Warming, Acid Rain, Ozone Depletion, in VIRTUAL CHEMBOOK,
at http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/index.html
2. Global Warming and Climate Change, at http://www.gcrio.org/gwcc/index.
htm
Présente une discussion pertinente dans les première et deuxième parties. La
première partie traite des mécanismes par lesquels la combustion du charbon,
du pétrole et du gaz naturel libère du CO2 dans l’atmosphère et entraîne le
réchauffement global. De plus, elle met également l’accent sur les autres
activités humaines qui contribuent au réchauffement global.
La deuxième partie traite des impacts du réchauffement planétaire. Les questions suivantes seront décrites en profondeur : comment le réchauffement, le
refroidissement, l’utilisation de l’eau et le niveau des mers seront affectés par
OHUpFKDXIIHPHQWJOREDOHWTXHOVVHURQWOHVHIIHWVG¶XQHPRGL¿FDWLRQUDSLGH
et étendue du climat sur les plantes et les animaux dans leur environnement
naturel.
Devoirs de lecture
a) Revoyez le chapitre sur la loi des gaz parfaits dans le module de chimie générale
b) Lisez le chapitre 9 dans le Manahan
F /LVH]OH¿FKLHU:RUG©&RPS5DLUSROOXWDQWVªGDQVOHVOHFWXUHVREOLJDWRLUHV
pour en apprendre davantage sur la formation des oxydes dans l’atmosphère
Chapitre II : Chimie de l’atmosphère et pollution de l’air (35 hrs)
Chimie de l’atmosphère
-
Introduction
Température et couches atmosphériques
Réactions chimiques atmosphériques
Pollution de l’air
-
&ODVVL¿FDWLRQGHVSROOXDQWVDWPRVSKpULTXHV
Principales sources de polluants atmosphériques
Pollution de l’air et pluies acides
Résolution du problème
2.1. Chimie de l’atmosphère
La pollution transforme l’atmosphère terrestre de telle sorte qu’elle laisse
¿OWUHUSOXVGHUD\RQQHPHQWVVRODLUHVGDQJHUHX[/¶DXJPHQWDWLRQGHOD
température, connue sous le nom de réchauffement planétaire, devrait
WRXFKHUO¶DSSURYLVLRQQHPHQWPRQGLDOHQQRXUULWXUHPRGL¿HUOHQLYHDX
des océans, rendre les conditions climatiques plus extrêmes et augmenter
la propagation des maladies tropicales.
En tant que professeur de chimie, vous êtes censés contribuer à la résolution du problème actuel et brûlant qu’est la pollution atmosphérique.
Vous devriez être capable de décrire la composition de l’atmosphère, les
principaux contributeurs à la pollution atmosphérique et la façon dont ces polluants
s’accumulent dans l’atmosphère. Dans ce chapitre, nous étudierons la chimie de l’atmosphère et de ses principaux polluants, nous décrirons comment ces polluants sont
formés et s’accumulent dans l’atmosphère ainsi que la menace qu’ils représentent.
2.1.1
Introduction
La chimie de l’atmosphère est une branche de la science de l’atmosphère dans laquelle la chimie de l’atmosphère terrestre et celle d’autres planètes est étudiée.
La composition et la chimie de l’atmosphère sont très importantes pour plusieurs
raisons, la première étant que l’atmosphère interagit avec les êtres vivants. La compoVLWLRQGHO¶DWPRVSKqUHWHUUHVWUHDpWpPRGL¿pHSDUO¶DFWLYLWpKXPDLQHHWFHUWDLQVGHFHV
changements sont dangereux pour la santé humaine, les récoltes et les écosystèmes.
Des exemples de problèmes abordés en chimie de l’atmosphère incluent les pluies
acides, le smog photochimique et le réchauffement global. La chimie atmosphérique
cherche à comprendre les causes de ces problèmes. En permettant une compréhension
théorique, elle rend possible l’évaluation des solutions proposées et des propositions
GHPRGL¿FDWLRQVDX[SROLWLTXHVJRXYHUQHPHQWDOHV
2.1.2
L’atmosphère terrestre est une couche de gaz entourant la planète Terre et retenue
autour d’elle par la gravité. Elle contient environ 78 % d’azote, 21 % d’oxygène,
0,93 % d’argon, 0,04 % de dioxyde de carbone ainsi que d’autres gaz à l’état de trace,
en plus de la vapeur d’eau. Ce mélange de gaz est habituellement connu sous le terme
« air ». L’atmosphère protège la vie sur Terre en absorbant les rayonnements solaires
UV et en limitant les variations extrêmes de température entre le jour et la nuit.
L’ozone, la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone ne sont que des composants gazeux mineurs de l’atmosphère, mais leur effet est très important car ils absorbent le
UD\RQQHPHQWVRODLUH/¶R]RQHGHODFRXFKHVXSpULHXUHGHO¶DWPRVSKqUH¿OWUHODOXPLqUH
ultraviolette en dessous de 360 nm, c’est-à-dire celle qui est dangereuse pour les êtres
vivants. L’ozone est par contre un polluant indésirable dans la troposphère : il est
toxique pour les plantes et les animaux et abîme les matériaux.
Plus on s’éloigne de la terre, plus l’atmosphère devient moins épaisse et disparaît
JUDGXHOOHPHQWGDQVO¶HVSDFHH[WUDDWPRVSKpULTXH,OQ¶\DGRQFSDVGHOLPLWHGp¿QLH
entre l’atmosphère et l’espace extra-atmosphérique. Soixante-quinze pour cent de la
masse de l’atmosphère se retrouve à 11 km de la surface planétaire.
2.1.3.
Température et couches de l’atmosphère
Bien que la pression atmosphérique diminue progressivement avec l’altitude, le
SUR¿OGHVWHPSpUDWXUHVHQIRQFWLRQGHO¶DOWLWXGHHVWSOXVFRPSOH[H/DWHPSpUDWXUH
de l’atmosphère terrestre varie avec l’altitude, mais la relation mathématique entre
température et altitude varie entre les différentes couches atmosphériques.
300
+
+
N 2, O 2 , O , O
+
N O , O 2 , e-
200
Th er mosp here
100
Mesopau se
)
m80
k(
t
h
60
ig
e
H
Ionosp her e
Mesosp her e
+
+
N 2, O 2 , N O , O 2,
Stratopause
O zon e lay er
Stratosph ere
40
Tropopau se
20
(NH 4 ) 2SO 4
Tropos phere
N 2, O 2, H 2O , A r , C O 2,
0
-100
- 50
0
50
o
Temper atur e ( C)
100
Fig. 2 . 1 Variation of average temperature with altitude.
Fig. 2.1. Variation de la température moyenne avec l’altitude
4XDWUHUpJLRQVRQWpWpGp¿QLHVVHORQODFRXUEHGHWHPSpUDWXUHGHOD)LJOD
troposphère, la stratosphère, la mésosphère et la thermosphère.
La troposphère est la région la plus proche de la surface terrestre. C’est la région
située entre la surface de la Terre et 7 km d’altitude aux pôles et 17 km à l’équateur,
avec certaines variations liées à des facteurs météorologiques. La température de l’air
diminue de manière inversement proportionnelle à l’altitude, à un taux approximatif
de 6,5 °C tous les 1000 mètres. Le maximum étant atteint à une température moyenne
de 56,5 °C sous zéro.
Dans la stratosphère, la température reste constante en fonction de la température
dans les 9 premiers kilomètres (couche isotherme) et augmente ensuite.
Au dessus de la stratosphère, dans la région s’étendant de 50 à 80 km, la mésosphère,
la température diminue à nouveau. L’atmosphère atteint sa température la plus faible
(environ 90 °C sous zéro) dans la couche supérieure de la mésosphère (à une altitude
d’environ 80 km).
/¶DWPRVSKqUHVXSpULHXUHHVWFDUDFWpULVpHSDUODSUpVHQFHG¶XQHTXDQWLWpVLJQL¿FDWLYH
d’électrons et d’ions positifs. À cause des conditions de raréfaction, ces ions peuvent
exister dans l’atmosphère supérieure pour de longues périodes avant de se recombiner
sous la forme d’une espèce neutre. À une altitude supérieure à 50 km, les ions sont
si abondants que la région est appelée ionosphère. La lumière ultraviolette est le
principal producteur d’ions dans l’ionosphère. Dans l’obscurité, les ions positifs se
recombinent lentement avec des électrons libres. Ce processus est plus rapide dans
les régions inférieures de l’ionosphère où la concentration en espèces chimiques est
relativement élevée.
La température de l’atmosphère augmente à nouveau dans la thermosphère. Dans
cette couche, les températures peuvent atteindre 1200 °C.
Les limites entre ces régions sont appelées tropopause, stratopause, mésopause, et
thermopause. En moyenne, la température de l’atmosphère à la surface terrestre
est de 14 °C. Les avions volent habituellement au sommet de la troposphère, à une
altitude de 10 à 12 km, et le record mondial d’altitude atteinte par un aéronef est de
37,65 km, à peu près au milieu de la stratosphère.
2.1.4.
2.1.4.1
La troposphère
C’est la région la plus proche de la surface de la Terre. En dehors de la vapeur d’eau,
les composants gazeux principaux de cette région sont le N2 (78,1 %), l’O2 (21 %),
l’Ar (0,9 %), le CO2 (0,03 %) et des quantités variables de CH4, NO2, H2, SO2, Kr,
Ne et O3. Environ 80 % de la masse totale de l’atmosphère sont contenus dans cette
couche de l’atmosphère.
Dans la troposphère, la température de l’air chute graduellement avec l’altitude à un
taux de 6,5 °C par 1000 mètres, le minimum étant atteint à environ – 56,5 °C.
2.1.4.2.
La stratosphère
La stratosphère contient environ 19,9 % de la masse totale de l’atmosphère. Une
¿QHpSDLVVHXUGDQVODSDUWLHVXSpULHXUHGHODVWUDWRVSKqUHFRQQXHFRPPHODFRXFKH
d’ozone) a une très forte concentration en ozone.
/¶R]RQH DEVRUEH GH PDQLqUH WUqV HI¿FDFH OD OXPLqUH XOWUDYLROHWWH GDQV OHV – 330 nm. Grâce à cela, l’ozone convertit l’énergie de rayonnement en chaleur et est
responsable des maxima de température rencontrés à la limite entre la stratosphère
et la mésosphère à l’altitude d’environ 50 km.
Les régions de concentration maximale en ozone se trouvent entre 25 et 30 km d’altitude dans la stratosphère, où elle peut atteindre 10 ppm. Cependant, les maxima de
température sont présents à des altitudes supérieures. Ceci est dû au fait que l’ozone
DEVRUEHOHVUD\RQQHPHQWV89GHPDQLqUHWUqVHI¿FDFHHWTXHODSOXSDUWGHFHVUD\RQnements sont absorbées dans la couche supérieure de la stratosphère où elles génèrent
de la chaleur. Seule une faible fraction atteint les basses altitudes, où l’ozone est plus
concentrée, et qui restent relativement froides.
Cette couche est la principale responsable de l’absorption des rayonnements ultraviolets du soleil. Les températures élevées de la région supérieure de la stratosphère sont
dues à ces concentrations localisées de molécules d’ozone. Les molécules d’ozone
absorbent la lumière UV, créant l’énergie thermique qui réchauffe la stratosphère.
2.1.4.3.
La mésosphère
La couche qui est au dessus de la stratosphère est connue sous le nom de mésosphère.
Cette couche s’étend entre 50 et 80 km. Elle est séparée de la thermosphère par une
¿QHFRXFKHDSSHOpHODPpVRSDXVH
La température diminue progressivement dans la mésosphère et atteint son minimum
(environ – 90 °C) à la limite de la mésosphère (à une altitude d’environ 80 km)
2.1.4.4.
La thermosphère
Cette partie de l’atmosphère se trouve au delà de 80 km d’altitude. Dans l’espace
extérieur de la thermosphère, la majorité des particules se présentent sous la forme
d’atomes simples, H, He, O, etc. À des altitudes plus basses (200 – 100 km) se retrouvent les molécules diatomiques, N2, O2, NO etc. Les températures élevées de cette
couche sont dues à l’absorption du rayonnement solaire intense par les molécules
de dioxygène (O2).
Dans cette région de l’atmosphère, alors que la température semble extrême, la quantité
d’énergie thermique mise en jeu est faible. Il y a peu de molécules capables de stocker
la chaleur. (Note : la quantité de chaleur stockée est directement proportionnelle à
la quantité de matière).
Dans la thermosphère, l’air est très ténu, les distances entre les molécules de gaz sont
LPSRUWDQWHV&HFLUHQGWUqVGLI¿FLOHODPHVXUHGHODWHPSpUDWXUHGHODWKHUPRVSKqUH
avec un thermomètre.
2.1.5.
Réactions chimiques dans l’atmosphère
Les deux composantes essentielles de la chimie atmosphérique sont l’énergie de
rayonnement provenant du soleil, principalement dans le spectre ultraviolet et le
radical hydroxyle HO•. La première de ces composantes rend possible l’accumulation d’une très grande quantité d’énergie dans une seule molécule de gaz, ce qui
permet l’initiation d’une série de réactions chimiques atmosphériques. La seconde
est la forme active intermédiaire la plus importante des phénomènes chimiques atmosphériques diurnes.
Le dioxyde d’azote, NO2, est l’une des espèces les plus photochimiquement actives
retrouvées dans une atmosphère polluée. Une espèce comme le NO2 peut absorber
la lumière pour produire une molécule excitée.
Une molécule excitée est une molécule qui a absorbé un rayonnement électromagnétique dans les régions UV ou visible du spectre.
Les molécules excitées, les radicaux libres et les ions comportant des atomes ou
des fragments de molécules chargés sont trois espèces relativement instables et
réactives que l’on rencontre dans l’atmosphère. Ils sont fortement impliqués dans
les processus chimiques atmosphériques.
A) Formation des radicaux libres
Les radicaux libres sont des atomes ou des groupes d’atomes ayant des électrons
non appariés. De telles espèces peuvent être produites par l’action du rayonnement
électromagnétique riche en énergie sur des atomes ou des molécules neutres. La forte
tendance à l’appariement des électrons non appariés rend les radicaux libres hautement réactifs. Ils sont impliqués dans les phénomènes chimiques atmosphériques
les plus considérables.
Le radical hydroxyle, HO•, est vraiment l’intermédiaire réactif le plus important dans
les processus chimiques atmosphériques. Il peut être formé de différentes manières.
Aux altitudes les plus élevées, il est produit par l’hydrolyse de l’eau :
Dans les zones relativement polluées de la troposphère, le radical hydroxyle provient
de la photolyse de l’ozone,
Le radical hydroxyle est éliminé de la troposphère en réagissant avec le méthane ou
le monoxyde de carbone.
L’atome d’hydrogène produit lors de la seconde réaction réagit ensuite avec l’O2
pour produire un radical hydroperoxyle qui va à son tour réagir avec un autre radical
hydroperoxyle ou hydroxyle
Ou dans une réaction qui va régénérer le radical hydroxyle :
B) Réactions acido-basiques dans l’atmosphère
L’atmosphère est légèrement acide, à cause d’une faible quantité de dioxyde de carbone qui se dissout dans les gouttelettes d’eau atmosphérique et se dissocie :
Cependant, en termes de pollution, les acides forts HNO3 et H2SO4 formés par l’oxydation dans l’atmosphère des oxydes d’azote, du SO2 et du H2S sont plus importants,
car ils causent la formation des pluies acides nuisibles.
Les espèces basiques sont moins fréquentes dans l’atmosphère. Des particules d’oxyde, d’hydroxyde ou de carbonate de calcium peuvent se retrouver dans l’atmosphère,
provenant de cendres ou de roches broyées, et peuvent réagir avec les acides comme
dans la réaction suivante :
L’espèce basique la plus importante dans l’atmosphère est l’ammoniac gazeux NH3.
La principale source d’ammoniac atmosphérique est la biodégradation de l’azote
contenu dans les matières organiques et la réduction bactérienne des nitrates :
/¶DPPRQLDFHVWODVHXOHEDVHK\GURVROXEOHSUpVHQWHjXQQLYHDXVLJQL¿FDWLIGDQV
l’atmosphère. Ce qui la rend particulièrement importante comme base dans l’air.
Dissoute dans les gouttelettes d’eau atmosphérique, elle joue un rôle essentiel en
neutralisant les acides atmosphériques :
C) Réactions concernant l’oxygène atmosphérique
En plus de l’O2, l’atmosphère supérieure renferme des atomes d’oxygène, O, des
molécules dioxygène excitées, O2*, et de l’ozone, O3. L’oxygène atomique, O, est
VWDEOHHVVHQWLHOOHPHQWGDQVODWKHUPRVSKqUHRO¶DWPRVSKqUHHVWVLUDUp¿pHTXHOD
collision simultanée de trois particules, nécessaire à la réaction chimique de l’oxygène atomique, arrive rarement. L’oxygène atomique est produit suite à une réaction
photochimique.
À une altitude supérieure à 80 km, la masse moléculaire moyenne de l’air est inférieure
aux 28,97 g/mole observés au niveau de la mer, ceci est dû à la concentration élevée
en oxygène atomique. De ce fait, l’atmosphère est divisée en une région inférieure,
de masse moléculaire uniforme, l’homosphère et une région supérieure, à masse
moléculaire non uniforme, l’hétérosphère.
L’oxygène moléculaire et Les atomes d’oxygène excités (O*) sont produits suite à
la photolyse de l’ozone atmosphérique :
Ou par des réactions chimiques hautement énergétiques comme :
L’ions oxygène, O+, peut être produit par la réaction du rayonnement ultraviolet sur
les atomes d’oxygène :
O+ est l’ion positif prépondérant dans certaines régions de l’ionosphère. Il peut réagir
avec l’oxygène ou l’azote moléculaires pour former d’autres ions positifs :
Dans les régions intermédiaires de l’ionosphère, O2+ est produit par l’absorption des
rayonnements ultraviolets à des longueurs d’onde de 17 – 103 nm.
Et par la réaction entre N2+ et O2 :
L’ozone atmosphérique est produit par la dissociation photochimique de l’oxygène
moléculaire, suivie d’une collision simultanée de trois particules :
Dans laquelle M est une autre espèce chimique, une molécule de N2 ou d’O2 par
exemple, qui absorbe l’excédent d’énergie de la réaction et permet à la molécule
d’ozone de rester entière.
En plus de subir la décomposition due aux rayonnements ultraviolets, l’ozone stratosphérique réagit avec l’oxygène atomique, les radicaux hydroxyles et le NO :
Le radical HO• est régénéré à partir du HOO• par la réaction :
D) Réactions concernant l’azote atmosphérique
Contrairement à l’oxygène, l’azote moléculaire n’est pas facilement dissocié par le
rayonnement ultraviolet. Cependant, à une altitude supérieure, environ à 100 km,
l’azote atomique est produit par des réactions photochimiques :
D’autres réactions peuvent produire l’azote monoatomique :
Dans la région située à 105 km au dessus de l’ionosphère, la séquence probable de
réactions par lesquelles le NO+ est formé est la suivante :
Dans la région la plus basse de l’ionosphère, qui s’étend de 50 à environ 80 km
d’altitude, NO+ est directement produit par le rayonnement ionisant :
1RWH(VVD\H]GHUpVRXGUHO¶H[HUFLFHVXLYDQWHWYpUL¿H]ODUpSRQVHGDQVOH¿FKLHU
« Comp-R-Ans-to-exer » du CD d’accompagnement.
EXERCICE 1
Il est connu que les gaz d’échappement comme les oxydes d’azote contribuent à la
formation d’ozone atmosphérique.
Montrer le mécanisme de formation de l’ozone à partir de ces gaz. Précisez la
proportion d’oxydes d’azote favorable à la formation et à la destruction de l’ozone
atmosphérique.
E) Dioxyde de carbone atmosphérique
Bien qu’il n’y ait que 0,035 % (350 ppm) de dioxyde de carbone dans l’air, le CO2
est l’espèce atmosphérique « non polluante » la plus inquiétante. C’est une espèce
chimiquement et photochimiquement minime, car sa concentration et sa réactivité
photochimique sont faibles. La principale réaction photochimique que subit le CO2 est
la photodissociation due au rayonnement solaire UV énergétique dans la stratosphère.
Cette réaction est la principale source de CO à haute altitude.
F) Eau atmosphérique
La troposphère contient normalement un volume de 1 à 3 % de vapeur d’eau, avec une
moyenne planétaire de 1 %. Cependant les extrêmes vont de 0,1 % à 5 % d’eau dans
l’air. Le pourcentage d’eau dans l’atmosphère diminue rapidement avec l’altitude.
La tropopause, froide, est une barrière aux mouvements de l’eau vers la stratosphère.
Très peu d’eau est transférée de la troposphère à la stratosphère. La principale source
d’eau de la stratosphère est l’oxydation photochimique du méthane :
L’eau ainsi produite sert de source aux radicaux hydroxyles stratosphériques, comme
le montre la réaction suivante :
2.2.
Pollution atmosphérique
/DSROOXWLRQDWPRVSKpULTXHSHXWrWUHGp¿QLHFRPPHO¶DMRXWGHVXEVWDQFHVGDQJHUHXVHV
à l’atmosphère, ayant pour conséquence une détérioration de l’environnement, de la
santé humaine et de la qualité de vie.
La pollution atmosphérique entraîne des problèmes respiratoires et favorise l’apparition de cancers. Elle touche les plantes, les animaux, et l’écosystème dans lequel
ils vivent. Certains polluants atmosphériques reviennent sur la terre sous la forme
de neige et de pluies acides qui détériorent les statues et les bâtiments, abiment les
récoltes et les forêts et rendent lacs et rivières impropres pour les poissons, animaux et végétaux.
Au dessus des villes se retrouvent plus particulièrement les polluants
issus de la combustion comme source d’énergie : oxydes de soufre,
oxydes d’azote et monoxyde de carbone.
2.2.1. Classification des polluants atmosphériques
Il existe plusieurs façons de classer les polluants atmosphériques. En
général, ils sont classés sur base de (1) leurs caractéristiques chimiques et physiques, (2) leur origine, (3) la nature de la réponse qu’ils suscitent ou (4) leur statut
règlementaire.
1) Basé sur leurs différentes caractéristiques physiques et chimiques
Les aérosolsVRQWGH¿QHVSDUWLFXOHVGLVSHUVpHVGDQVOHVJD](OOHVSHXYHQWrWUHVRlides ou liquides. La terminologie liée aux aérosols polluants atmosphériques inclut
la poussière, les fumées, le brouillard, la brume, la brume sèche, les particules, le
smog et la suie.
Les gaz et les vapeurs sont composés de molécules très éloignées les unes des autres
et libres de se déplacer, qui peuvent prendre de l’expansion pour occuper un espace
plus large et exercer une pression dans toutes les directions de l’espace. Une substance est un vrai gaz s’il est assez éloigné de l’état liquide, ou en d’autres termes, si
sa température est au dessus de son point critique. Une vapeur est une substance à
l’état gazeux, qui n’est pas loin de son état liquide, ou en d’autres termes, qui peut
être facilement condensée en liquide.
2) Basé sur leur origine
Les polluants atmosphériques sont classés de différentes façons sur base de leur
origine :
A) Sources mobile et stationnaire
Les sources mobiles comprennent les automobiles, les trains ou les avions,
alors que les sources stationnaires sont toutes les autres sources de polluants.
Les usines électriques, les usines de transformation chimique, les extracteurs
d’air ou les opérations d’extraction de gaz du sol sont des exemples de sources
stationnaires.
B) Sources directes et indirectes
Une source directe émet directement le polluant dans l’air alors qu’une source
indirecte n’émet pas elle-même de polluants, mais attire les sources mobiles
(centre commercial, stade athlétique)
C) Sources ponctuelles ou sources étendues
8QH VRXUFH SRQFWXHOOH HVW Gp¿QLH FRPPH XQH VRXUFH VWDWLRQQDLUH GRQW OHV
pPLVVLRQVRQWXQLPSDFWVLJQL¿FDWLIVXUODTXDOLWpGHO¶DLU/HVVRXUFHVpWHQGXHV
sont celles qui n’ont individuellement pas d’impact sur la qualité de l’air, mais
GRQWO¶LPSDFWHVWVLJQL¿FDWLIORUVTX¶RQOHVUHJURXSHWHLQWXUHULHFRPEXVWLRQ
à l’air libre).
3) Basé sur la façon dont ils atteignent l’atmosphère
Les polluants atmosphériques sont classés comme primaires ou secondaires, selon
la manière dont ils atteignent l’atmosphère.
Les polluants primaires sont émis directement dans l’atmosphère à partir d’une
VRXUFHLGHQWL¿DEOH/HPRQR[\GHGHFDUERQHHWOHGLR[\GHGHVRXIUHVRQWGHVH[HPSOHV
Les polluants secondaires sont quant à eux produits lors d’une réaction chimique
dans l’atmosphère. L’ozone, par exemple, est un composant majeur du smog urbain.
Il est produit par la réaction photochimique entre les oxydes d’azote, les VOC et
d’autres composants de l’atmosphère. C’est donc un polluant secondaire. L’émission
des précurseurs des polluants secondaires est généralement règlementée.
4) Basé sur leur statut règlementaire
Selon la réglementation, l’Agence de protection de l’environnement des États-Unis
(3$DLGHQWL¿pVL[SROOXDQWVFRPPHSROOXDQWVGHUpIpUHQFHGHSDUWOHXUIUpTXHQFH
et le risque qu’ils entraînent pour la santé humaine. Ce sont les matières particulaires
d’un diamètre inférieur ou égal à 10 µm (PM10), le dioxyde de soufre, le monoxyde de
carbone, le dioxyde d’azote, l’ozone et le plomb. Pour chaque polluant de référence,
l’EPA a établi des normes primaires et secondaires de qualité de l’air ambiant. Le
critère primaire a pour but de protéger la santé publique. Le critère secondaire protège
le public des effets secondaires sur son bien-être. Collectivement, ces normes sont
connues comme « National Ambient Air Quality Standards » ou NAAQS.
2.2.2
Principales sources de pollution atmosphérique
A) Sources humaines
Les activités humaines comme la combustion du charbon et des produits pétroliers
(essence, kérosène, mazout...), la conduite d’une automobile, les activités industrielles,
comme la fabrication de produits ou la production d’électricité, sont les principales
sources de pollution atmosphérique.
La production d’énergie à partir de la combustion de combustibles fossiles produit
de grandes quantités d’eau et de dioxyde de carbone, qui contribue au réchauffement
planétaire
Quand le charbon, l’essence et d’autres combustibles similaires sont brûlés, les
hydrocarbures et d’autres impuretés qu’ils renferment sont oxydés. Par exemple, le
soufre de la pyrite qui reste dans le charbon est oxydé en dioxyde de soufre, un gaz
irritant ayant une odeur âcre. La réaction d’oxydation est la suivante :
4 FeS2 + 11 O2 A 2 Fe2O3 + 8 SO2
pyrite + oxygène A oxyde de fer + dioxyde de soufre
Les oxydes ainsi formés se combinent dans l’atmosphère à la vapeur d’eau pour
former des acides, qui retournent sur terre sous la forme des pluies acides.
Grâce à l’énergie solaire, les oxydes d’azote et les composés organiques volatils
réagissent sans l’atmosphère pour produire le smog photochimique. Le smog
contient de l’ozone, une forme d’oxygène gazeux faite de trois atomes au lieu de
deux. Dans l’atmosphère inférieure, l’ozone est un poison : il détériore la végétation,
tue les arbres, irrite les tissus pulmonaires et corrode le plastique. L’intensité du
smog est déterminée en mesurant son taux d’ozone. Si la teneur en ozone est élevée,
les autres polluants, dont le monoxyde de carbone, sont habituellement également
présents en grande quantité.
Les très jeunes enfants, les personnes âgées et les gens souffrant d’asthme ou de problèmes cardiaques sont les plus affectés par le smog. Le smog peut causer des maux
GHWrWHRXGHVYHUWLJHVDLQVLTXHGHVGLI¿FXOWpVUHVSLUDWRLUHV'DQVOHVFDVH[WUrPHV
il peut également causer une forte morbidité et mortalité, principalement dues à un
empoisonnement au monoxyde de carbone.
Un autre polluant important, produit de la combustion incomplète du carbone ou de
composés organiques comme l’essence ou les hydrocarbures, dangereux car invisible et non irritant, est le monoxyde de carbone, ou CO. Ce gaz est connu comme le
« tueur silencieux », car il est inodore, insipide et invisible. Le principal symptôme
de l’intoxication au CO est la somnolence, parfois accompagnée de maux de tête, de
vertige et de nausée. Le CO est surtout un polluant des villes, sa concentration varie
KDELWXHOOHPHQWHQIRQFWLRQGXWUD¿FDXWRPRELOH
Les composés organiques volatils (VOC) qui polluent l’air sont :
-
-
-
les composés hydrocarbures volatils de produits de consommation comme
les diluants de peinture, le goudron ou les vernis, qui sont souvent appelés
« distillats de pétrole » sur les listes de produits.
les solvants d’évaporation et les propergols des produits de soins personnels
ou d’entretien ménager, comme le vernis à ongles, les déodorants, les lotions
après-rasage, les laques à cheveux ou les insecticides
l’acétate d’éthyle et d’autres additifs exotiques que nous exhalons lorsqu’on
mâche une gomme à mâcher ou prenons des bonbons rafraichisseurs d’haleine
pour lesquels les publicités annoncent « une haleine fraîche »
B) Sources naturelles
Certains de ces polluants peuvent aussi provenir de sources naturelles. Les VOC, par
exemple, sont libérés dans l’atmosphère lors des feux de forêts ou par évaporation.
Les volcans vomissent du dioxyde de soufre et de grandes quantités de cendres
volcaniques. Cependant, contrairement aux polluants issus de l’activité humaine,
les polluants naturels ne restent dans l’atmosphère qu’un court laps de temps et
Q¶HQWUDvQHQWSDVGHPRGL¿FDWLRQDWPRVSKpULTXHSHUPDQHQWH
2.2.3.
Pollution atmosphérique et pluies acides
Devoir de lecture
/LVH]OH¿FKLHU©&RPS5DLUSROOXWDQWVªGDQVOHVOHFWXUHVREOLJDWRLUHV&HWWHOHFWXUH
vous donnera une courte explication sur, comment la présence naturelle de dioxyde de
carbone dans l’atmosphère terrestre rend les pluies acides, avec ou sans pollution
On sait actuellement que l’eau de pluie, qui était considérée par le passé comme la
forme d’eau la plus pure, est souvent contaminée par des polluants atmosphériques.
En présence d’humidité, des gaz comme le dioxyde de soufre et les oxyde d’azote
provenant des émissions industrielles deviennent dans l’atmosphère des gouttelettes
G¶DFLGHSXUÀRWWDQWGDQVOHVPRJHWVRQWFRQQXVHQWDQWTXHSOXLHVDFLGHV
Fig. 2.4. Formation des pluies acides
Ces acides en suspension dans l’air sont toxiques pour les poumons et corrodent tout
ce qui est en marbre, en calcaire ou en métal. Des forêts et des lacs situés loin des sites
industriels peuvent être détériorés par des pluies acides qui sont dues à des polluants
transportés dans la troposphère par le vent et qui descendent sous forme de pluies ou
de neiges acides. Ces pluies brûlent les feuilles des plantes et rendent les lacs trop
acides pour supporter la vie des poissons et des autres êtres vivants.
1RWH(VVD\H]GHUpVRXGUHO¶H[HUFLFHVXLYDQWHWYpUL¿H]ODUpSRQVHGDQVOH¿FKLHU
« Comp-R-Ans-to-exer » du CD d’accompagnement
Exercice 2
Les pluies acides ont un pH inférieur à 5,6 principalement à cause de la réaction de
la vapeur d’eau avec le dioxyde de soufre et les oxydes d’azote. Les oxydes d’azote,
surtout le dioxyde d’azote (NO2), réagissent avec l’eau pour former du nitrite d’hydrogène (HNO2) et du nitrate d’hydrogène (HNO3) :
2 NO2 (g) + H2O (l) -----> HNO2(aq) + HNO3(aq)
Quelle quantité d’eau de pluie et de NO2 est nécessaire pour former 277,2 g de HNO3 ?
Utilisez vos connaissances de chimie générale de stœchiométrie.
2.2.4.
La partie inférieure de la stratosphère, à une altitude approximative de 15 à 35 km au
dessus de la surface terrestre, contient de très hautes concentrations d’ozone (O3), plus
de 90 %. Cette partie de l’atmosphère terrestre est connue comme la couche d’ozone.
Cette couche absorbe environ tous les rayonnements solaires (entre 97 et 99 %) dans
la fréquence des UV, ceux qui sont nocifs pour la vie sur Terre.
Différents polluants s’attaquent à la couche d’ozone. Les plus connus sont les chloURÀXRURFDUEXUHV&)&/HVPROpFXOHVGH&)&VRQWVWDEOHVYLUWXHOOHPHQWLQGHVtructibles jusqu’à ce qu’elles atteignent la stratosphère. Là, les molécules de CFC
sont brisées par le rayonnement ultraviolet intense et libèrent des atomes de chlore.
Ces atomes de chlore vont réagir avec l’ozone et le casser en molécules d’oxygène
ordinaire, qui n’absorbent pas le rayonnement UV.
CF2Cl2 + hiA Cl• + CCl2F•
Cl• + O3 A ClO• + O2
ClO• + O A Cl• + O2
Réaction nette : 2 O3 A 3 O2
Le chlore agit comme un catalyseur. Le chlore intervient dans diverses réactions
FKLPLTXHVHWjOD¿QGHODUpDFWLRQLOGHPHXUHLQFKDQJpHWWRXMRXUVFDSDEOHG¶LQLWLHU
une nouvelle réaction. Un seul atome de chlore peut détruire plus de 100 000 molécules
d’ozone dans la stratosphère. En plus des CFC, d’autres polluants, comme l’oxyde
nitreux (N2O) des fertilisants ou le bromure de méthyle des pesticides attaquent la
FRXFKHG¶R]RQH/HVVFLHQWL¿TXHVRQWGpFRXYHUWTX¶jFDXVHGHFHODODFRXFKHG¶R]RQH
stratosphérique s’amincit.
2.2.5.
Désormais, il semble que la Terre fait face à un réchauffement rapide qui est dû, selon
OHVVFLHQWL¿TXHVDX[DFWLYLWpVKXPDLQHVWRXWDXPRLQVHQSDUWLH&HWWHDXJPHQWDWLRQ
générale de la température moyenne de l’atmosphère, des océans et des terres émergées est connue sous le terme « réchauffement planétaire ».
Quelles en sont les causes ?
L’énergie qui illumine et réchauffe la Terre provient du soleil. La plupart de cette
énergie est faite de rayonnements de courte longueur d’onde. La surface de la Terre,
à son tour, libère une partie de cette chaleur sous la forme de rayonnement infrarouge
de longue longueur d’onde. La majorité du rayonnement infrarouge émis par la Terre
retourne dans l’espace, mais une certaine partie reste bloquée dans l’atmosphère
terrestre. Cela est dû à certains gaz atmosphériques : la vapeur d’eau, le dioxyde de
FDUERQHHWOHPpWKDQH(QDEVRUEDQWHWHQUpÀpFKLVVDQWOHVRQGHVLQIUDURXJHVFHV
gaz conservent la chaleur dans l’atmosphère, de la même façon que la vitre d’une
serre. C’est pour cela qu’ils sont appelés « gaz à effet de serre ». Quand l’atmosphère
s’enrichit en ces gaz, elle devient un meilleur isolant et retient plus de chaleur. La
somme de ces effets fait que la Terre reçoit plus de chaleur qu’elle n’en libère dans
l’espace, ce qui est connu sous le terme d’« effet de serre ».
Grâce à l’effet de serre, la température moyenne à la surface de la Terre se
maintient à un niveau relativement confortable de 15 °C. Si ce n’était pas
le cas, la température moyenne de surface se situerait alentour de - 18 °C.
Le problème avec le réchauffement planétaire est que l’homme ajoute et
PRGL¿HOHQLYHDXGHVJD]jHIIHWGHVHUUHHWVWLPXOHOHUpFKDXIIHPHQW
Le dioxyde de carbone (CO2) est le gaz qui contribue le plus à l’effet de
serre. La respiration des plantes et la décomposition de matières organiques
libère 10 fois plus de CO2 que l’activité humaine, mais ces deux effets s’équilibraient
jusqu’à la révolution industrielle. Depuis la révolution industrielle, les quantités produites par l’homme ont augmenté de manière spectaculaire à cause de la combustion
des combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon) par les industries lourdes et
d’autres activités humaines, comme le transport ou la déforestation.
D’autres facteurs ralentissent le réchauffement, mais pas à un tel niveau.
Quels en sont les effets ?
(i) Le climat sera plus extrêmedure, avec plus de pluies en saison humide, des
périodes de sècheresse plus longues et des tempêtes plus puissantes.
(ii) Les calottes glacières des pôles vont fondre, ce qui entraînera une hausse du
niveau des océans. Une telle montée de l’eau pourrait submerger les villes
côtières et inonder complètement les zones humides côtières, forçant la population à abandonner les îles de faible altitude. Des maladies comme la malaria
pourraient devenir plus fréquentes dans les régions tempérées, les régions du
globe situées entre les tropiques et les pôles.
(iii) Le changement climatique peut entraîner l’extinction de nombreuses espèces
végétales, mais aussi animales, vu que toutes les espèces animales ne sont
pas capables de changer facilement de territoire si leur habitat devient plus
chaud.
2.2.6.
Résolution du problème
Que pouvons-nous faire pour lutter contre les pluies acides et les autres formes de
pollution atmosphérique ?
-
utiliser des sources d’énergie alternatives,
éliminer les polluants des produits de combustion,
DPpOLRUHUO¶HI¿FDFLWpGXSURFHVVXVGHFRPEXVWLRQOXLPrPH
économiser l’énergie.
Nous allons rapidement passer sur les deux premiers points, car ils utilisent des
composés et des processus chimiques.
Il y a plusieurs sources alternatives d’énergie pour les véhicules à moteur. Parmi
celle-ci, le gaz naturel est très intéressant car il a un faible potentiel de pollution
atmosphérique. Ce carburant contient moins d’impuretés soufrées, il brûle de façon
propre, avec une formation limitée d’oxydes de soufre et d’azote. Alors que les
voitures électriques avec batteries semblent être une alternative complètement non
polluante, leur utilisation ne ferait que déplacer le problème environnemental d’une
source à une autre. Si la source d’énergie motrice du moteur à combustion est transférée aux batteries électriques, la quantité totale d’énergie fournie jusqu’à présent par
O¶HVVHQFHOHGLHVHORXG¶DXWUHVSURGXLWVUDI¿QpVVLPLODLUHVGHYUDrWUHUHPSODFpHSDU
une quantité équivalente d’électricité, ce qui nécessitera de recharger régulièrement
les batteries. La production de cette quantité d’énergie supplémentaire incombera à
des générateurs d’électricité nouveaux ou préexistants, ce qui introduira de nouveaux
problèmes environnementaux.
Aux États-Unis, les voitures et les autres véhicules, source de la majorité du CO, comptent pour moins de la moitié des émissions totales de SOx et de NOx. Ce sont surtout
les installations électriques et les autres installations stationnaires qui produisent ces
polluants. Les usines pourraient être conçues de sorte à utiliser des sources alternatives
d’énergie, en incluant l’énergie nucléaire ou des approches plus immédiates que sont
O¶DPpOLRUDWLRQGHO¶HI¿FDFLWpGXSURFHVVXVGHFRPEXVWLRQHQOXLPrPHRXHQpOLPLQDQW
les polluants des gaz d’échappement avant qu’ils n’atteignent l’atmosphère.
Plusieurs approches sont utilisées pour réduire les polluants dans les gaz de fumées
LQGXVWULHOOHVjVDYRLUODSUpFLSLWDWLRQpOHFWURVWDWLTXHOD¿OWUDWLRQRXOHODYDJH/D
précipitation électrostatique enlève les particules et les aérosols, qui sont de petites
particules solide ou liquide dispersées dans de la fumée (les aérosols sont constitués
des particules les plus petites, inférieures à 10-3 µm, alors que les particules plus grandes sont les polluants particulaires). Les gaz de fumées passent entre deux plaques
chargées, ou électrodes, verticales. Les particules se chargent des électrons provenant
de l’électrode négative et se déplacent vers l’électrode positive. Là, les particules
liquides s’accumulent et coulent au fond du collecteur. Les particules solides tombent
suite à l’agitation.
2.3. Évaluation formative
1.
Laquelle des disciplines suivantes étudie la chimie de l’atmosphère terrestre ?
a) la chimie de la Terre b) la chimie atmosphérique c) la chimie du réchauffement planétaire d) la chimie des pluies acides
2.
Quel est l’exemple de problème environnemental qui ne concerne pas la chimie
atmosphérique :
a) les eaux de mine acides b) les pluies acides c) le smog photochimique d)
le réchauffement planétaire
3.
Laquelle des propositions suivantes n’est pas affectée par la pollution atmosphérique ?
a) les animaux aquatiques b) les cultures c) l’écosystème d) aucune de ces
propositions
4.
Quel est le composé gazeux le plus important en proportion dans l’atmosphère ?
a) l’oxygène b) le dioxyde de carbone c) l’azote d) la vapeur d’eau
5. L’ozone
a)
b)
F
d)
6.
est souhaitable dans la troposphère
est un polluant indésirable de la stratosphère
¿OWUHOHVUD\RQQHPHQWV89QRFLIVGDQVODVWUDWRVSKqUH
Laquelle des caractéristiques de l’atmosphère suivantes est essentielle pour
protéger la vie sur Terre ?
a)
b)
c)
d)
elle réduit les écarts de température entre le jour et la nuit
elle neutralise les réactions acido-basiques dans la troposphère
la troposphère contient de l’O3
les plantes produisent de l’O2
7.
À propos de la pression atmosphérique, laquelle des propositions suivantes est
vraie ?
a) la pression atmosphérique augmente lorsqu’on progresse de la troposphère
vers la stratosphère
b) la pression atmosphérique diminue graduellement quand on progresse d’une
basse altitude vers une haute altitude
c) la pression atmosphérique augmente régulièrement à des altitudes plus élevées
8.
Le rayonnement UV nocif est arrêté par la couche d’ozone dans
a) la mésosphère b) la troposphère c) la stratosphère d) la thermosphère
9.
Les températures élevées de la thermosphère sont dues
a)
à l’existence de grandes quantités de molécules de gaz qui peuvent absorber
l’énergie de rayonnement des autres couches
b) à l’absorption de rayonnement solaire intense par des molécules d’oxygène
(O2)
c) à l’absorption du rayonnement UV intense par l’ozone
10. Les radicaux libres sont hautement réactifs car
a) ils sont libres de mouvement dans l’atmosphère
b) l’électron non apparié d’un radical libre a une forte tendance à l’appariement
c) ils contiennent des atomes d’oxygène et d’hydrogène, qui sont hautement
réactifs
d) a & b
11. Laquelle des espèces chimiques atmosphériques suivantes est une espèce instable ?
a)
b)
c)
d)
les molécules excitées électroniquement
les radicaux libres
les ions ayant un atome chargé électriquement
12. L’intermédiaire réactif le plus important dans les phénomènes chimiques atmosphériques diurnes est
a) O• b) HO• c) H3C• d) HOO•
13. La réaction H2O + hv à HO• + H représente
a) la formation du radical hydroxyle à haute altitude
b) la formation du radical hydroxyle dans une troposphère relativement peu
polluée
c) la forte réactivité du radical hydroxyle
d) la destruction du radical hydroxyle à haute altitude
14. Laquelle des réactions suivantes ne représente par l’élimination du radical hydroxyle de la troposphère ?
a) CO + HO• à CO2 + H
b) CH4 + HO• à H3C• + H2O
c) NH4 + HO• à H3N• + H2O
d) a & b
15. L’atmosphère est légèrement acide à cause de
a) la présence d’une faible quantité de dioxyde de carbone
b) l’existence d’une grande quantité d’azote
c) la formation d’acide chlorhydrique par la dissolution de chlore gazeux dans
l’eau
d) la présence d’une faible quantité d’ammoniac
16. L’espèce basique la plus importante dans l’atmosphère est
a)
b)
c)
d)
le monoxyde de carbone en phase gazeuse
l’ammoniac, NH3, en phase gazeuse
le carbonate de calcium
l’oxyde de calcium
17. Une réaction chimique hautement énergétique entre trois atomes d’oxygène peut
produire
a)
b)
c)
d)
une molécule d’ozone et un radical oxygène
de l’oxygène moléculaire et un atome d’oxygène excité
une molécule d’ozone
toutes ces propositions
18. À une altitude supérieure à 80 km, la masse moléculaire moyenne de l’air est
inférieur à 28,97 g/mol, la masse moléculaire de l’air au niveau de la mer. Parmi
les propositions suivantes, quelle en est la raison ?
D O¶DLUHVWUDUp¿pGDQVO¶DWPRVSKqUHVXSpULHXUH
b) l’oxygène atomique est stable dans l’atmosphère supérieure alors qu’il forme
de l’oxygène moléculaire dans l’atmosphère inférieure
c) les atomes et les molécules de gaz sont plus lourds dans l’atmosphère supérieure que dans l’atmosphère inférieure
19. L’hétérosphère est une couche de l’atmosphère
a)
b)
c)
d)
qui ne contient pas d’atome d’oxygène
dans laquelle la masse moléculaire de l’air est uniforme
où il y a un excès d’oxygène moléculaire
20. Les polluants atmosphériques qui sont directement émis dans l’atmosphère à
SDUWLUG¶XQHVRXUFHLGHQWL¿DEOHVRQWDSSHOpV
a) des polluants primaires b) des aérosols c) des VOC d) toutes ces propositions
Réponses
1.
2.
3.
4.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
b) la chimie atmosphérique
a) les eaux de mine acides
c) l’azote
F¿OWUHOHVUD\RQQHPHQWV89QRFLIVGDQVODVWUDWRVSKqUH
a) elle réduit les écarts de température entre le jour et la nuit
b) la pression atmosphérique diminue graduellement quand on progresse d’une
basse altitude vers une haute altitude
c) la stratosphère
b) à l’absorption de rayonnement solaire intense par des molécules d’oxygène
(O2)
b) l’électron non apparié d’un radical libre a une forte tendance à l’appariement
b) HO•
a) la formation du radical hydroxyle à haute altitude
c) NH4 + HO• à H3N• + H2O
a) la présence d’une faible quantité de dioxyde de carbone
b) l’ammoniac, NH3, en phase gazeuse
b) de l’oxygène moléculaire et un atome d’oxygène excité
b) l’oxygène atomique est stable dans l’atmosphère supérieure alors qu’il
forme de l’oxygène moléculaire dans l’atmosphère inférieure
a) des polluants primaires
Chimie et pollution des eaux
Dans cette activité d’apprentissage seront abordées les différentes propriétés chimiques
et physiques de l’eau qui la rendent unique en comparaison des autres liquides, ainsi
que l’importance de ces propriétés sur l’environnement écologique. Les réactions
FKLPLTXHVVHGpURXODQWGDQVOHVSODQVG¶HDXOHVPRGL¿FDWLRQVGHODIRUPHGHVSURduits chimiques en solution et la manière dont l’acidité et la complexation contrôlent
la distribution et le devenir des produits chimiques dans l’environnement aquatique
seront traitées en profondeur.
Seront également décrits la pollution des eaux et les paramètres utilisés pour en
déterminer la qualité, la nature et le type des polluants des eaux ainsi que leur voie
d’entrée dans les plans d’eau, les normes pour les différentes utilisations de l’eau et
le contrôle de la pollution des eaux.
¬OD¿QGHFHWWHDFWLYLWpYRXVGHYULH]rWUHFDSDEOHGH
-
Discuter des différentes propriétés de l’eau qui la rendent unique parmi les
autres liquides
'p¿QLUDFLGLWpHWDOFDOLQLWp
Faire la différence entre alcalinité et basicité
Calculer l’alcalinité d’un plan d’eau en ayant les informations nécessaires sur
la concentration en CO32-, HCO3- et sur le pH
'p¿QLUOHVUpDFWLRQVGHFRPSOH[DWLRQODVWDELOLWpGHVFRPSOH[HVHWODFRQVWDQWH
de formation
Calculer les concentrations à l’équilibre des espèces impliquées dans les
réactions de complexation dans les plans d’eau
Décrire les paramètres chimiques et physiques utilisés pour décrire la qualité
de l’eau.
1. Howard, Alan G., Aquatic Environmental Chemistry, Oxford University Press,
Oxford, UK, 1998.
3. National Research Council, Setting Priorities for Drinking Water, National
Academy Press, Washington, D.C., 1999.
4. Water Pollution and Society, http://www.umich.edu/~gs265/society/waterpollution.htm
5. Environmental Issues, http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/index.
html
6. Water Structure and Behavior, http://textbookrevolution.org/chemistry/waterstructure-and-behavior
1. Water Resources, Wastewater Treatment, in VIRTUAL CHEMBOOK, at
http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/index.html
2. Aquatic Chemistry in Resources for Chemistry Educators, Digital Texts, at
http://www.chem1.com/chemed/digtexts.shtml
Ce lien contient des discussions détaillées sur la chimie acido-basique des
systèmes aquatiques naturels, l’équilibre du carbone dans les eaux naturelles
et le système carbone – CO2 ;
3. Water Structure and Science, at http://www.lsbu.ac.uk/water/index2.html
Donne une discussion détaillée sur un grand nombre de propriétés de l’eau,
qui la rendent unique parmi les autres liquides
Chapitre III Chimie aquatique et pollution des eaux (35 hrs)
Chimie de l’eau
Réactions chimiques dans les plans d’eau
Pollution des eaux
Qualité de l’eau
Nature et type des polluants des eaux
Caractérisation des eaux usées
Contrôle de la pollution des eaux
Exigences de qualité des eaux
3.1.
Chimie de l’eau
([HUFLFH
Avant de commencer la lecture de ce sous-chapitre, commentez les points suivants,
reliés aux propriétés uniques de l’eau. Vous serez mieux à même de comprendre
pourquoi ces propriétés sont vitales pour l’existence de la vie sur notre planète.
$SUqVDYRLUUpGLJpFHVFRPPHQWDLUHVOLVH]ODQRWHGX¿FKLHU:RUG©&RPS5$QV
to-Exer » dans le CD d’accompagnement.
Expliquez l’importance de l’eau et les caractéristiques suivantes sur l’existence de la
vie et ce qui se serait passé si l’eau n’avait pas eu ces particularités.
1. La différence de température entre le point de fusion et le point d’ébullition
de l’eau est plus importante que celle de nombreux autres liquides (100 °C).
Quelle aurait été la conséquence, sur les êtres vivants, si cela n’avait pas été
le cas ?
2. Contrairement aux autres liquides, l’eau devient plus légère quand elle gèle.
Quel est l’avantage de ce phénomène sur la vie aquatique ?
3. La chaleur de vaporisation de l’eau est très élevée. Quelle est l’importance
de ce phénomène sur le climat mondial ?
4. L’eau peut dissoudre beaucoup plus de substances que n’importe quel autre
liquide. Quelle est l’importance de ce phénomène sur la nutrition des plantes
et des animaux
3.1.1.
L’eau est une substance d’importance vitale dans toutes les sections de l’environnement. Elle couvre environ 70 % de la surface de la Terre et se retrouve dans toutes les
sphères de l’environnement. Elle est un composant essentiel de toutes les structures
vivantes. Elle transporte énergie et matière au travers des diverses sphères de l’environnement. Elle transporte les nutriments des plantes du sol vers leur organisme
via leurs racines.
Les propriétés de l’eau sont plus aisément comprises en considérant la structure et
les liaisons dans la molécule d’eau.
)LJ8QHPROpFXOHG¶HDXGLSRODLUH
La molécule d’eau est constituée de deux atomes d’hydrogène liés de manière covalente à un atome d’oxygène. Les trois atomes sont arrangés en une structure en
V, avec un angle de 105 °. Cette structure courbée et le fait de l’atome d’oxygène
qui attire les électrons plus fortement que les atomes d’hydrogène et cela fait que
la molécule d’eau a le comportement d’un dipôle, avec des charges électriques
opposées à chaque extrémité. Le dipôle « molécule d’eau » peut être attiré par des
ions, chargés positivement ou négativement, comme avec le Na+ et le Cl- lors de la
dissolution du NaCl.
)LJ'LVVROXWLRQGHFULVWDX[GHFKORUXUHGHVRGLXPGDQVO¶HDX
L’eau a la capacité de former des liaisons hydrogène. La liaison hydrogène est un
type de liaison qui se forme entre un atome d’hydrogène d’une molécule d’eau chargé
positivement et l’atome d’oxygène d’une autre molécule d’eau chargé négativement.
La liaison hydrogène retient ensemble les molécules d’eau avec force et permet aussi
de maintenir en solution ions et molécules solubles.
)LJ/LDLVRQVK\GURJqQHHQWUHOHVS{OHVSRVLWLIV
et négatifs de quatre molécules d’eau
Pour avoir une compréhension claire de la pollution des eaux, vous devriez être capable
de décrire les interactions chimiques se déroulant dans les plans d’eau. Dans la section
suivante seront abordés les réactions chimiques dans les plans d’eau, la solubilité des
gaz atmosphériques dans les plans d’eau ouverts, les réactions chimiques responsables
des caractéristiques acido-basiques de l’eau, les réactions de complexation et leur
équilibration, les calculs de constantes de stabilité et la concentration des espèces
en équilibre. La pollution des eaux et les paramètres physiques et chimiques utilisés
pour la décrire, les sources et le contrôle de la pollution des eaux seront également
brièvement discutés.
3.1.2.
Réactions chimiques ayant lieu dans les plans d’eau
Les interactions chimiques dans les systèmes aquatiques naturels sont très complexes.
De nombreuses variables doivent être prises en compte pour décrire leur chimie. Il
s’agit de systèmes dynamiques ouverts, qui ont des entrées et des sorties d’énergie
HWGHPDVVHYDULDEOHV,OHVWGRQFGLI¿FLOHG¶REWHQLUOHVFRQGLWLRQVG¶XQpTXLOLEUHUpHO
dans ce type de système. De ce fait, ces systèmes sont souvent décrits au moyen de
PRGqOHVVLPSOL¿pV'HWHOVPRGqOHVSHXYHQWQRXVGRQQHUGHVJpQpUDOLVDWLRQVXWLOHV
une idée de la nature des processus chimiques aquatiques et donner les lignes direcWULFHVSRXUODGHVFULSWLRQHWODPHVXUHGHVV\VWqPHVDTXDWLTXHVQDWXUHOV/D¿JXUH
3.5 représente un modèle qui illustre les catégories principales des phénomènes
chimiques aquatiques.
)LJ3URFHVVXVFKLPLTXHVDTXDWLTXHVPDMHXUV
3.1.2.1
Les plans d’eau naturels renferment un certain nombre de gaz dissouts. Parmi ces gaz,
l’O2 et le CO2 sont d’importance vitale pour les plantes et les animaux aquatiques. Par
exemple, l’O2 est essentiel pour les poissons et le CO2 pour les algues photosynthétiques. Certains gaz peuvent aussi entraîner des problèmes, comme le diazote, qui peut
tuer les poissons en se retrouvant sous forme de bulles gazeuses dans leur sang.
A) Le dioxygène dans l’eau
La plupart du dioxygène élémentaire que l’on trouve dissout dans l’eau provient de
l’atmosphère mais aussi de la photosynthèse des algues. Vu que de nombreux organismes aquatiques ont besoin de dioxygène pour vivre, les plans d’eau doivent en
contenir une certaine quantité à l’état dissous.
La concentration en dioxygène dissout peut diminuer pour différentes raisons. La
quantité de dioxygène produit par la photosynthèse des algues pendant le jour est
utilisée par les algues elles-mêmes pour leur processus métaboliques. De ce fait, la
contribution de la photosynthèse des algues à la quantité de dioxygène dissout n’est
pas très élevée. Donc la capacité d’un plan d’eau à se réoxygéner lui-même à partir
de l’atmosphère est une caractéristique essentielle.
B) Le dioxyde de carbone dans l’eau
Le dioxyde de carbone est, virtuellement présent dans toutes les eaux naturelles. C’est
l’acide faible le plus important dans l’eau. Le CO2 de l’eau provient de la dissolution
du CO2 atmosphérique et de la putréfaction microbienne de matières organiques. Le
dioxyde de carbone et ses produits d’ionisation ont un rôle extrêmement important
dans la chimie de l’eau. De nombreux minéraux se déposent sous la forme de sels
de l’ion carbonate.
Bien que le CO2 dissous est souvent représenté sous la forme H2CO3, seule une petite
fraction du CO2 dissous est réellement présent sous cette forme. C’est pourquoi, pour
faire une distinction, le dioxyde de carbone non ionisé dans l’eau est simplement
désigné par CO2.
L’équilibre de dissolution du CO2 dans l’eau est représenté par les équations suivantes :
CO2 + H2O ͳ HCO3- + H+
Ka1 = [HCO3- ] [ H+] = 4.45 x 10-7
(3.1)
pKa1 = 6.35
(3.2)
[CO2 ]
HCO3- ͳ CO32- + H+
Ka2 = [CO32- ] [ H+]
[HCO3- ]
(3.4)
= 4.69 x 10-11
pKa2 = 10.33
(3.5)
Donc le CO2 dissous contient à l’équilibre du CO2, l’ion bicarbonate (HCO3-) et l’ion
carbonate (CO32-). L’espèce prédominante formée par la dissolution du CO2 dans l’eau
dépend du pH. Ceci est représenté dans le diagramme de la distribution des espèces
en fonction du pH de la Figure 3.6.
6XUOD¿JXUHRQSHXWYRLUTXHO¶LRQFDUERQDWHG¶K\GURJqQHELFDUERQDWH+&23-)
est l’espèce dominante dans la gamme de pH de la majorité des plans d’eau et que
le CO2 sera prédominant dans les eaux acides.
3.1.3.
'DQVYRVFRXUVGHFKLPLHJpQpUDOHYRXVDYH]pWXGLpOHVGLIIpUHQWHVGp¿QLWLRQVGHV
DFLGHVHWGHVEDVHVGRQQpHVSDUGLIIpUHQWVVFLHQWL¿TXHV'DQVFHWWHVHFWLRQQRXVXWLOLVRQVODGp¿QLWLRQGH%URQVWHGHW/RZU\6HORQODGp¿QLWLRQGH%URQVWHG±/RZU\
les acides sont des espèces chimiques qui perdent un ion H+ lors d’une réaction et les
bases sont les espèces chimiques qui acceptent les ions H+ perdus par les acides.
L’ion bicarbonate, HCO3-, est une espèce importante dans la chimie acide-base de
l’eau. Dans l’eau il peut agir autant comme un acide que comme une base :
HCO3- ͳ CO32- + H+
HCO3- + H+ ͳ CO2 (aq) + H2O
(HCO3- agissant en tant qu’acide)
(HCO3- agissant en tant que base)
(3.6)
(3.7)
L’acidité, telle qu’elle est appliquée aux eaux naturelles et aux eaux usées, est la
capacité de l’eau à neutraliser les ions OH-, alors que l’alcalinité est sa capacité à
neutraliser les ions H+. Même si virtuellement toutes les eaux présentent une certaine
alcalinité, les eaux acides ne sont pas fréquentes, sauf en cas de pollution importante.
L’existence d’acides faibles, particulièrement du CO2 et parfois du H2PO4-, du H2S,
GHSURWpLQHVHWG¶DFLGHVJUDVHVWODSULQFLSDOHFDXVHGHO¶DFLGL¿FDWLRQGHO¶HDX/HV
ions métalliques acides, comme le Fe3+, peuvent également contribuer à l’acidité des
eaux. Le caractère acide de certains ions métalliques hydratés comme Al(H2O)63+ peut
aussi contribuer à l’acidité des eaux.
Al(H2O)63+ ͳ Al(H2O)5OH2+ + H+
(3.8)
L’alcalinité est importante pour le traitement des eaux et pour la chimie et la biologie
des eaux naturelles. Dans le traitement des eaux, il est souvent nécessaire de connaître
l’alcalinité de l’eau pour calculer les quantités de produits chimiques à rajouter. Une
eau très alcaline a souvent un pH élevé, et contient généralement une grande quantité
de solides dissouts qui la rend inutilisable dans les chauffe-eau, la transformation
alimentaire et les réseaux municipaux de distribution d’eau.
Le pouvoir alcalin de l’eau est un tampon aux variations de pH et un réservoir pour le
carbone inorganique. Il permet donc de déterminer la capacité de l’eau à supporter la
croissance des algues et d’autres formes de vie aquatique et de mesurer la fertilité de
l’eau. En général, l’ion bicarbonate, l’ion carbonate et l’ion hydroxyde sont les espèces
basiques responsables de l’alcalinité de l’eau (voir les réactions ci-dessous).
HCO3- + H+ ̹ CO2 + H2O
(3.9)
CO32- + H+ ̹ HCO3-
(3.10)
OH + H
(3.11)
-
+
̹ H2O
L’alcalinité peut être exprimée soit comme l’alcalinité phénophtaléine soit comme
alcalinité totale. L’alcalinité phénophtaléine est déterminée en titrant l’eau par un
acide jusqu’au pH auquel l’ion HCO3- est l’espèce de carbonate prédominante (pH
8,3), alors que l’alcalinité totale est déterminée en titrant l’eau par un acide jusqu’au
point de virage du méthylorange (pH 4,3) où carbonate et bicarbonate sont transformés en CO2. Dans les calculs de l’alcalinité totale d’une eau à pH inférieur à 7, la
concentration en H+ dans l’eau doit être soustraite alors que sa concentration peut
être très élevée. Dans un milieu ou les seuls contributeurs à l’alcalinité sont HCO3-,
CO32- et OH-, l’alcalinité est calculée au moyen de l’équation suivante :
[alk] = [HCO3-] + 2[CO32-] + [OH]- - [H+]
(3.12)
La concentration en CO32- est multipliée par 2 car chaque ion CO32- peut neutraliser
2 ions H+.
L’alcalinité est donnée en Mol H+/L ou en équivalents/L ou en mg/L de CaCO3, selon
la réaction de neutralisation d’acide suivante : CaCO3 + 2H+ ͳ Ca2+ + CO2 + H2O.
L’eau naturelle a une alcalinité, désignée par « [alk] », de 1,00 x 10-3 équivalents par
OLWUHHT/FHTXLVLJQL¿HTXHOHVVROXWpVDOFDOLQVFRQWHQXVGDQVXQOLWUHG¶HDXYRQW
neutraliser 1,00 x 10-3 moles d’acide.
Exemple : L’alcalinité d’une rivière est de 5 x 10-3 mol H+/L et son pH est de 8,0.
Calculez les concentrations de CO32- et de HCO3- de la rivière.
6ROXWLRQ
[alk] = [HCO3-] + 2[CO32-] + [OH-] - [H+]
En utilisant les valeurs de pH, on peut calculer [OH-] et [H+].
pH = -log [H+]
8 = -log [H+] [H+] = 10-8
Kw = [H+] [OH-] = 10-14 [OH-] = 10-14 / 10-8 = 10-6
En remplaçant les valeurs de concentrations en H+ et OH- dans l’équation d’alcalinité,
on obtient :
[alk] = [HCO3- ] + 2 [CO32-] +10-6 - 10-8
À partir de l’équation de la seconde constante de dissociation de H2CO3, on peut
calculer la concentration en HCO3- en termes de concentration en CO32- :
HCO3- ͳ CO32- + H+
Ka2 =
[CO32-] [ H+] / [HCO3-] = 4,69 x 10-11
[HCO3-] = [CO32-] x 10-8 / 4,69 x 10-11
[HCO3-] = 213,22 [CO32-]
En remplaçant [HCO3-] par 213,22 [CO32-], on obtient :
[alk] = 213,22 [CO32-] + 2 [CO32-] + 10-6 - 10-8
5 x 10-3 = 213,22 [CO32-] + 2 [CO32-] + 10-6 - 10-8
215,22 [CO32-] = ~ 5 x 10-3
[CO32-] = 5 x 10-3 / 215,22
= 2,3 x 10-5
[HCO3-] = 213,22 [CO32-] = 213,22 x 2,3 x 10-5 = 4,95 x 10-3
Notez que la basicité est différente de l’alcalinité. La basicité est un facteur d’intensité
indiquant la valeur du pH (basicité élevée = pH élevé, basicité faible = pH faible),
alors que l’alcalinité est un facteur de capacité, indiquant la capacité d’accepter les
ions H+. Considérons une solution de 1,00 x 10-3 M NaOH et une solution de 0,100
M HCO3-. La solution d’hydroxyde de sodium est assez basique, avec un pH de 11,
mais un litre de cette solution ne neutralisera que 1,00 x 10-3 mole d’acide. Le pH
de la solution de bicarbonate est de 8,34, beaucoup plus faible que celui du NaOH.
Cependant, un litre de la solution de bicarbonate de sodium neutralisera 0,100 mole
d’acide. Son alcalinité sera donc 100 fois supérieure à la solution de NaOH, qui est
plus basique.
Note(VVD\HUGHUpVRXGUHO¶H[HUFLFHVXLYDQWHWYpUL¿HUYRWUHUpSRQVHGDQVOH¿FKLHU
« Comp-R-Ans-to-exer » du CD d’accompagnement.
([HUFLFH
Le pH attendu pour un plan d’eau en équilibre avec l’atmosphère et ne contenant
pas de calcaire est acide. Expliquer pourquoi le pH de la plupart des plans d’eau, qui
contiennent du calcaire, CaCO3, est alcalin.
3.1.4.
L’eau contient différentes sortes d’ions métalliques, sous différentes formes. Les eaux
non polluées et les systèmes biologiques contiennent les ions Mg2+, Ca2+, Mn2+, Fe2+,
Fe3+, Cu2+, Zn2+, VO2+ alors que les ions Co2+, Ni2+, Sr2+, Cd2+ et Ba2+ se retrouvent
dans les eaux contaminées.
Dans l’eau, tous les ions métalliques sont liés ou coordonnés à d’autres espèces comme
l’eau ou d’autres bases fortes présentes dans l’eau. Les métaux peuvent aussi exister
dans l’eau, liés de manière réversible à des anions inorganiques ou à des composés
organiques, sous la forme de complexes métalliques. Par exemple, un ion cyanure
peut se lier à du fer (II) dissout en lui donnant une paire d’électrons.
Fe(H2O)62+ + CN- ͳ FeCN(H2O)5+ + H2O (3.13)
Une des molécules d’eau dans le Fe(H2O)62+ est remplacé par un ion cyanure pour
former le FeCN(H2O)5+. Des ions cyanure supplémentaires peuvent remplacer les
molécules d’eau restantes pour former du Fe(CN)2(H2O)4, du Fe(CN)3(H2O)3-, du
Fe(CN)4(H2O)22-, du Fe(CN)5(H2O)3- et du Fe(CN)64-. Le type de réaction ayant lieu
entre les ions CN- et le Fe2+ hydraté est appelé complexation. Le produit de cette
réaction, le FeCN(H2O)5+ de l’équation ci-dessus, est connu sous le nom de complexe, ou ion complexé ou complexe de coordination. L’espèce qui donne la paire
d’électrons à l’ion métallique central, CN- dans l’exemple ci-dessus, est appelé le
ligand. Dans l’exemple ci-dessus, l’ion cyanure donne une seule paire d’électrons
ou possède un seul site qui lie l’ion métallique et est connu sous le nom d’ion monodentate. Certains ligands possèdent plus d’un site (plus d’un atome) pour former
une liaison avec l’ion métallique. De tels ligands forment des complexes en anneau
et sont appelés agents chélateurs. Les espèces ainsi formées sont les chélates. Les
agents chélateurs sont des polluants des eaux potentiels communs. Ils sont présents
GDQVOHVHIÀXHQWVG¶pJRXWVHWGDQVOHVHDX[XVpHVLQGXVWULHOOHVFRPPHFHOOHVLVVXHV
des revêtements métalliques.
/DFRPSOH[DWLRQDGLIIpUHQWVHIIHWVGDQVO¶HDX(OOHSHXWHQWUDvQHUGHVPRGL¿FDWLRQV
dans l’état d’oxydation d’un ion métallique et causer la formation d’une forme plus
soluble du métal à partir d’un composé insoluble. Les complexes insolubles enlèvent les ions métalliques de la solution. À cause de leur capacité à solubiliser les
métaux lourds des tuyauteries et des dépôts contenant des métaux lourds, les agents
complexants sont une préoccupation majeure dans les eaux usées. La complexation
peut augmenter le lessivage des métaux lourds des sites d’élimination des déchets et
UpGXLUHO¶HI¿FDFLWpDYHFODTXHOOHOHVPpWDX[ORXUGVVRQWpOLPLQpVGHVERXHVELRORJLTXHV
ordinaires des traitements de déchets.
3.1.4.1.
Stabilité des complexes
La formation d’un complexe métal-ligand est décrite par une constante de formation Kf. La valeur de la constante de formation exprime la stabilité du complexe.
Par exemple, la constante de formation de la réaction de complexation entre le Cd2+
et le NH3 est donnée par :
La réaction de complexation entre Cd2+ et NH3 comprend de nombreuses étapes. Par
exemple, la réaction entre Cd2+ et NH3 implique quatre réactions successives montrées
dans les équations ci-dessous :
Cd2+(aq) + NH3(aq)
ͳ Cd(NH3)2+(aq)
(3.15)
ͳ Cd(NH3)22+(aq)
(3.16)
Cd(NH3)22+(aq) + NH3(aq) ͳ Cd(NH3)32+(aq)
(3.17)
(3.18)
Cd(NH3)2+(aq) + NH3(aq)
Comme il n’est pas évident de savoir quelle réaction est décrite par la constante de
formation, la série de réactions ci-dessus peut poser un problème. Pour éviter cela,
les constantes de formation sont divisées en différentes constantes de formation
successives et cumulatives ou en une constante de formation globale.
Les constantes de formation successives, désignées par Ki pour l’étape i, décrivent
l’addition successive d’un ligand au complexe métal-ligand formé lors de l’étape
précédente. La constante de formation globale ou cumulative, désignée par L,
décrit l’addition de i ligands à l’ion métallique libre. Donc, les constantes d’équilibre
pour les réactions 3.15 à 3.18 sont respectivement K1, K2, K3 et K4. L’expression
de la constante de formation pour chaque étape est donnée dans les équations 3.19
à 3.22 :
Cd2+(aq) + NH3(aq) ͳ Cd(NH3)2+(aq)
Par conséquent, l’expression de la constante d’équilibre donnée dans l’équation
HVWFRUUHFWHPHQWLGHQWL¿pHSDU`4, où
`4 = K1 x K2 x K3 x K4
En général `i = K1 x K2 x K3 x ………Ki
Par exemple, la constante de formation donnée dans l’équation 3.14 est donnée par
À des valeurs de pH supérieures ou égales à 11, l’EDTA est essentiellement dans sa
forme complètement ionisée tétra-négative Y4-, illustrée ci-dessous :
L’acide éthylène-diamine-tétra-acétique (EDTA) est un agent complexant fréquemment retrouvé dans l’eau. Sa structure est donnée ci-dessous :
HOOC – CH2
CH2 – COOH
N – CH2 – CH2 – N
HOOC – CH2
CH2 - COOH
L’EDTA contient quatre atomes d’hydrogène remplaçables et, selon le pH, il contient
différentes proportions de H4Y, H3Y-, H2Y2-, HY3-, et Y4-. Dans l’eau, les ions métalliques et les ions hydrogène sont en compétition pour Y4-. À des pH faibles, les
formes avec proton dominent les formes non protonées. Quand le pH augmente, la
fraction d’Y4- libre pouvant se complexer aux métaux augmente. À des valeurs de pH
supérieures ou égales à 11, l’EDTA est principalement sous sa forme tétra-négative
complètement ionisée, Y4-.
Exemple : Le cuivre réagit avec l’EDTA pour former du CuY2- suivant la réaction :
Cu2+ + Y4-
ͳ CuY2-
K1 = 6.3 x 1018
La détermination de la quantité relative de cuivre complexé à l’EDTA et la quantité
de cuivre libre présent dans les eaux usées a donné les résultats suivants :
pH = 11
Total Cu(II) = 5,0 mg/L
EDTA libre en excès = 200 mg/L (exprimé en tant que sel disodique,
Na2H2C10H12O8N2•2H2O, poids formulaire 372).
Le cuivre sera-t-il présent principalement sous la forme complexée avec l’EDTA
ou sous la forme non complexée ? Calculez les concentrations d’équilibre de l’ion
cuivre (II) hydraté, Cu2+.
6ROXWLRQ
À pH 11, l’EDTA non complexé existe sous la forme Y4-. Sa concentration molaire
[Y4-] est donnée par
La constante de formation de la réaction Cu2+ + Y4- ͳ CuY2- , est donnée par :
À partir de cette équation, la proportion de cuivre complexé par rapport au cuivre
non complexé sera :
En remplaçant [Y4- ] par 5,4 x 10-4, cela donne
Ce résultat indique que la quantité de cuivre sous forme complexée est beaucoup plus
importante que la forme non complexée, ou que le cuivre est présent principalement
sous la forme de l’ion complexé.
Auto-évaluation
Avant de lire le point suivant, écrivez un paragraphe sur ce que vous entendez par
O¶DI¿UPDWLRQ
« La pollution des eaux est évaluée en fonction de l’usage que l’on en prévoit! »
Et évaluez dans quelle mesure vous avez compris ce problème.
3.2.
Pollution des eaux
De toutes les ressources existant sur notre planète, l’eau est indubitablement la plus
précieuse. Sans elle, la vie sur Terre n’existerait pas : elle est essentielle à la croissance de toute chose sur notre planète. Bien que nous sachions cela, nous n’en tenons
pas compte, continuant à polluer rivières, lacs et océans. Ainsi nous endommageons
lentement mais surement notre planète au point où des organismes disparaissent à
une vitesse alarmante. En plus de causer la mort des organismes, la pollution atteint
également notre approvisionnement en eau potable. Pour lutter contre la pollution
des eaux, nous devons comprendre ces problèmes et faire partie de la solution.
3.2.1
Qualité de l’eau
/DTXDOLWpGHO¶HDXTXHQRXVHPSOR\RQVjGHV¿QVGLIIpUHQWHVDXFRXUVGHQRWUHYLHTXRtidienne peut être évaluée par des paramètres physiques et chimiques. Les indicateurs
chimiques et physiques de qualité sont décrits dans les sous-chapitres suivants.
3.2.1.1.
Paramètres de qualité physique de l’eau
/HVSDUDPqWUHVSK\VLTXHVGp¿QLVVHQWOHVFDUDFWpULVWLTXHVGHO¶HDXTXLUpSRQGHQWDX[
sens de la vue, du toucher, du goût et de l’odeur. La présence de solides en suspension, la turbidité, la couleur, le goût et l’odeur, ainsi que la température font partie
de cette catégorie
A) Solides en suspension – Sources et impacts
Les solides peuvent être dispersés dans l’eau sous forme de suspension ou sous
forme dissoute. Bien que certains solides dissouts puissent être perçus par nos sens
physiques, ils appartiennent plutôt aux paramètres chimiques.
Les solides en suspension dans l’eau peuvent être des substances inorganiques comme
GHO¶DUJLOHRXGHODYDVHRXGHVSDUWLFXOHVRUJDQLTXHVFRPPHGHV¿EUHVYpJpWDOHV
RXGHVGpEULVG¶DOJXHVRXGHEDFWpULHV*UkFHjODFDSDFLWpGH¿OWUDWLRQGXVROOHV
matières en suspension sont rarement présentes dans les eaux souterraines.
Les autres matières en suspension peuvent provenir
-
de l’utilisation de l’eau par l’homme
de l’utilisation de l’eau par les industries.
Habituellement, les eaux usées domestiques contiennent de grandes quantités de
solides en suspension, qui sont principalement d’origine organique.
Les matières en suspension dans l’eau donnent à l’eau un aspect déplaisant. De plus, ce
sont des sites d’adsorption pour des agents chimiques et biologiques. La dégradation
biologique des solides organiques en suspension donne des sous-produits désagréables. Des solides biologiques actifs (vivants) en suspension peuvent comprendre des
organismes infectieux ou des organismes produisant des toxines (algues).
/HVVROLGHVHQVXVSHQVLRQSHXYHQWrWUHGLYLVpVHQUpVLGXV¿OWUDEOHVHWUpVLGXVQRQ
¿OWUDEOHV
Les solides en suspension, dans lesquels les matières sont susceptibles d’être de
nature organique et/ou biologique, sont des paramètres importants des eaux usées.
Le paramètre « solide en suspension » est utilisé pour mesurer la qualité des eaux
usées riches, pour suivre la qualité de différents traitements et pour mesurer la qualité
GHVHIÀXHQWV/¶(3$DGpWHUPLQpXQHQRUPHPD[LPDOHGHVROLGHHQVXVSHQVLRQGH
30 mg/L pour la plupart des rejets d’eaux usées.
B) Turbidité – Sources et impacts
La turbidité est la mesure de l’ampleur avec laquelle la lumière est absorbée ou
dispersée par les particules en suspension dans l’eau. L’absorption et la dispersion
VRQWFRQQXHVSRXUrWUHLQÀXHQFpHVSDUODWDLOOHHWOHVFDUDFWpULVWLTXHVGHVXUIDFHGX
matériel en suspension. Par conséquent, la turbidité ne peut être une mesure directe
de la quantité de solides en suspension. Par exemple, un petit caillou dans un verre
d’eau ne produira aucune turbidité. Cependant, si ce caillou est broyé en toutes petites
particules de taille colloïdale, cela produira une quantité mesurable de turbidité, bien
que la masse du caillou n’ait pas changé.
La turbidité des eaux de surface est due à l’érosion des sols. Les eaux usées domestiTXHVHWLQGXVWULHOOHVFRQWLHQQHQWGHVVDYRQVGpWHUJHQWVHWpPXOVL¿DQWVTXLODUHQGHQW
trouble.
Impacts
La turbidité rend l’eau potable désagréable à voir. Les matières colloïdales associées
à la turbidité représentent des sites d’adsorption pour des organismes biologiques
potentiellement dangereux pour la santé, ainsi que pour des substances chimiques
potentiellement toxiques, et entraînent un goût ou une odeur indésirables.
C) Couleur de l’eau
L’eau pure n’a pas de couleur. Cependant, l’eau est souvent colorée à cause de matières
étrangères. Les tannins, l’acide humique et les humates récupérés par l’eau à partir
GHVGpEULVRUJDQLTXHV¿OWUDEOHVHQVXVSHQVLRQFRPPHOHVIHXLOOHVOHVKHUEHVHWOHERLV
SHXYHQWOXLGRQQHUXQHFRXOHXUEUXQMDXQH/HVVXEVWDQFHVQRQ¿OWUDEOHVFRPPHOHV
oxydes de fer rendent l’eau plus rouge. Les déchets des industries comme l’industrie
textile, la teinture, la production des pâtes et papier, la transformation alimentaire, la
SURGXFWLRQFKLPLTXHO¶LQGXVWULHPLQLqUHOHUDI¿QDJHOHVRSpUDWLRQVG¶DEDWWDJHSHXvent entraîner une coloration marquée de l’eau qui les reçoit. En général, la couleur
GXHDX[PDWLqUHV¿OWUDEOHVHQVXVSHQVLRQHVWDSSHOpHODcouleur apparente alors que
la couleur due aux solides dissouts, qui sont toujours présents une fois qu’on a enlevé
OHVPDWLqUHV¿OWUDEOHVHQVXVSHQVLRQHVWFRQQXHFRPPHODcouleur vraie.
Impacts
De la même façon que les eaux troubles, l’eau colorée est visuellement indésirable
pour le public. L’eau très colorée n’est pas appropriée pour le blanchissage, la teinture,
la fabrication de papier, la fabrication de boissons ni pour la production laitière. De
ce fait, l’eau colorée est moins commercialisable tant pour l’usage privé que pour
l’usage industriel.
D) Goût et odeur
Le goût de l’eau est la saveur que nous percevons quand on met l’eau à la bouche,
alors que l’odeur est ce que nous percevons par le sens de l’odorat. Le consommateur
peut attribuer une grande variété de goûts et d’odeurs à l’eau. Invariablement, les
substances qui donnent une odeur à l’eau vont également lui transmettre un certain
goût. Cependant l’inverse n’est pas vrai : de nombreuses substances minérales produisent un goût mais pas d’odeur. Les matières organiques ou leur décomposition
biologique sont connues pour causer des altérations de goût et d’odeur de l’eau. Les
principales substances biologiques connues pour cet effet sont les composés dus à la
réduction du soufre, qui entraînent un goût et une odeur « d’œuf pourri ». Certaines
HVSqFHVG¶DOJXHVVHFUqWHQWXQHVXEVWDQFHKXLOHXVHHQWUDvQDQWGHVPRGL¿FDWLRQVGHJRW
et d’odeur. La combinaison de deux ou plus de deux substances, qui seules n’entraînent pas de goût ou d’odeur, peut parfois causer un goût ou une odeur désagréable.
Les minéraux alcalins donnent un goût amer à l’eau, alors que les sels métalliques
lui donnent un goût salé ou amer.
Impacts
Le goût et l’odeur rendent l’eau déplaisante pour le consommateur. Certaines substances qui donnent un mauvais goût et une mauvaise odeur peuvent être cancérigènes.
E) Température
La température n’est pas utilisée pour évaluer directement l’eau potable ou les eaux
usées. Cependant elle est un des paramètres les plus importants dans les systèmes
naturels d’eaux de surface. La température des eaux de surface gouverne dans une
large mesure la présence des espèces biologiques et leur niveau d’activité. Elle inÀXHQFHpJDOHPHQWODSOXSDUWGHVUpDFWLRQVFKLPLTXHVTXLRQWOLHXGDQVOHVHDX[GH
surface et la solubilité des gaz dans l’eau.
Généralement, les plans d’eau peu profonds sont plus affectés par la température
ambiante (température de l’atmosphère environnante) que les plans d’eaux plus profonds. L’eau utilisée pour la dissipation de la chaleur résiduelle dans l’industrie et la
libération d’eau chauffée peuvent causer une augmentation, bien que parfois localisée,
de la température du cours d’eau qui la reçoit. La destruction de la canopée forestière
et les eaux de retour de l’irrigation peuvent également causer une augmentation de
la température des rivières.
Impacts
La température fraîche des rivières favorise une activité biologique plus lente. Étant
donné que les nutriments essentiels sont disponibles, l’activité biologique double
quand la température augmente de 10 °C. Si la vitesse de métabolisme augmente,
les organismes les plus compétitifs pour l’utilisation des aliments et la reproduction
s’épanouissent pendant que les autres espèces déclinent et/ou disparaissent. La
croissance des algues s’accélère souvent dans les eaux chaudes et peut devenir problématique lorsque les algues s’accumulent en tapis. La sécrétion naturelle d’huile
par les algues dans ce tapis et les produits de dégradation des cellules mortes peuvent
entraîner un goût et une odeur désagréables. Des espèces d’ordre supérieur, comme
les poissons, sont fortement affectées par des changements de température et de
concentration en dioxygène dissous, qui est fonction de la température. Les poissons
de pêche sportive ont besoin de températures plus fraîches et d’un niveau élevé en
dioxygène dissous.
/HVFKDQJHPHQWVGHWHPSpUDWXUHPRGL¿HQWOHVYLWHVVHVGHUpDFWLRQHWOHVQLYHDX[
de solubilité des substances chimiques. La plupart des réactions chimiques dont la
dissolution de solides sont plus rapides si la température est plus élevée. D’un autre
côté, la solubilité des gaz est plus faible à température élevée. Donc, si la température augmente, la quantité dioxygène dissous va baisser. Ceci n’est pas une situation
souhaitable vu que l’oxydation biologique des substances organiques dans les rivières
est dépend d’un approvisionnement adéquat en dioxygène dissous.
3.2.1.2.
Paramètres de qualité chimique de l’eau
L’eau est appelée le solvant universel. Les paramètres chimiques sont liés au pouvoir
de solubilisation de l’eau. La quantité totale de solides dissouts, l’alcalinité, la dureté,
ODSUpVHQFHGHÀXRUXUHVGHPpWDX[GHFRPSRVpVRUJDQLTXHVRXGHQXWULPHQWVVRQW
des paramètres chimiques d’importance dans la gestion de la qualité de l’eau. Le lec-
teur est aimablement invité à revoir la partie de chimie élémentaire pour comprendre
facilement les idées présentées ici.
Devoir de lecture
1. Il y a un certain nombre de polluants d’origine humaine et d’origine naturelle.
Pour faciliter ce cours, les polluants des eaux sont classés de différentes manières selon leur nature chimique, le type de danger qu’ils présentent, etc.
/LVH]OH¿FKLHUSGI©&RPS5ZDWHUSROOXWDQWVDQG:+2JXLGHOLQHªHWIDLWHV
un résumé des principaux polluants des eaux.
2. Il est connu que les eaux usées polluent les eaux de surface et les eaux souterraines si elles ne sont pas traitées avant leur relâchement.
/LVH]OH¿FKLHUSGI©&RPS5ZDWHUSROOXWDQWVDQG:+2JXLGHOLQHªHWUppondez aux questions suivantes :
a) Que sont les eaux usées et d’où proviennent-elles ?
b) Quelles sont les caractéristiques des eaux usées ?
c) Quels sont les principaux types de traitement des eaux usées ?
3. La composition de l’eau varie fortement en fonction des conditions géologiques locales. Quel que soit son niveau de pureté, l’eau contient de petites
TXDQWLWpVGHJD]GHPLQpUDX[HWGHPDWLqUHVRUJDQLTXHV'DQVODGp¿QLWLRQ
de la pureté de l’eau, il est toléré que l’eau contienne différents niveaux de
certaines substances en fonction de son utilisation éventuelle.
/LVH] OH ¿FKLHU SGI ©&RPS5ZDWHUSROOXWDQWVDQG :+2 JXLGHOLQHª HW
décrivez expliquez pourquoi il est nécessaire que l’eau potable contienne
différentes concentrations (haute, moyenne, faible ou très faible) de différents
composés.
3.3.
1. Lequel de ces gaz est essentiel à la vie des plantes aquatiques ?
a) N2
2.
c) CO2
d) SO2
La principale source de dioxygène élémentaire dissouts dans l’eau provient
de :
a)
b)
c)
d)
3.
b) O2
du dioxygène atmosphérique
la photosynthèse des algues
l’auto-dissociation de l’eau
toutes ces réponses
La contribution de la photosynthèse des algues au dioxygène dissous n’est pas
FRQVLGpUpHFRPPHHI¿FDFHFDU
a) elle est trop faible
b) la solubilité du dioxygène ainsi produit est moindre que celle de l’oxygène
provenant de l’environnement
c) une partie de ce dioxygène est utilisée par les algues pour leurs propres processus métaboliques
4.
La dégradation de la biomasse à partir des matières organiques
a) augmente la quantité de dioxygène dissous
b) diminue la quantité de dioxygène dissous
c) n’affecte pas le niveau de dioxygène dissous
5.
Dans le diagramme de distribution des espèces pour le système CO2 – HCO3– CO32- dans l’eau, l’espèce dominante à pH élevé est :
a) H2CO3
6.
b) HCO3-
c) CO32-
d) CO2
Lorsqu’elle est appliquée aux eaux naturelles et aux eaux usées, l’acidité est
Gp¿QLHFRPPH
a)
b)
c)
d)
la capacité de l’eau à neutraliser les H+
la capacité de l’eau à neutraliser les OHla capacité de l’eau à donner des électrons
la concentration en ions H+ dans l’eau
7.
Une eau qui est très alcaline
a)
b)
c)
d)
8.
a un pH faible
a un pH élevé
contient peu de solides dissouts
a&c
L’alcalinité de l’eau pure est de 1,00 x 10-3 eq/L. Ceci implique que
a) l’eau pure contient 1,00 x 10-3 équivalents de OH- dans un litre
b) les solutés alcalins dans un litre d’eau pure vont neutraliser 1,00 x 10-3 moles
d’acide sulfurique
c) les solutés alcalins dans un litre d’eau pure vont neutraliser 1,00 x 10-3 moles
d’H+
d) les solutés acides dans un litre d’eau pure vont neutraliser 1,00 x 10-3 moles
d’OH-
9.
L’alcalinité est donnée par l’équation [alk] = [HCO3-] + 2[CO32-] + [OH]- - [H+].
Dans cette équation, pourquoi la concentration de [CO32-] est-elle doublée ?
a)
b)
c)
d)
CO32- est un alcali très fort
une mole de CO32- peut neutraliser 2 moles de H+
une mole de CO32- peut neutraliser 2 moles de OHtoutes ces réponses
10. Dans l’équation de l’alcalinité, soustraire la concentration de H+ est nécessaire
quand on calcule
a) l’alcalinité totale
b) l’alcalinité phénolphtaléine
c) l’alcalinité bicarbonate
d) b & c
11. La quelle des propositions suivantes est vraie pour l’alcalinité et la basicité ?
a) l’alcalinité est un facteur d’intensité indicateur de la valeur du pH
b) la basicité est un facteur d’intensité indicateur de la valeur du pH
c) une basicité élevée indique un pH faible et une basicité faible indique un pH
élevé
d) l’alcalinité est un facteur de capacité indiquant la capacité de donner des ions
H+
12. Dans la formation par étape du Cd(NH3)42+(aq), l’expression d’équilibre pour
K3 est donnée par l’équation,
13. Laquelle des propositions suivantes est une raison de s’inquiéter de la présence
d’agents complexants dans la pollution des eaux
a) les agents complexants peuvent réagir avec les métaux lourds dans les sites
d’élimination des déchets et former des complexes solubles qui sont lessivés
dans les eaux de surface ou les eaux souterraines
b) dans les plans d’eau, les agents complexants forts peuvent former des complexes métalliques plus toxiques et plus stables en déplaçant des agents complexants plus faibles
c) dans les plans d’eau, les agents complexants forts peuvent former des complexes métalliques moins toxiques et plus stables en déplaçant des agents
complexants plus faibles
d) toutes ces réponses
14. Une plus petite constante de formation d’un complexe indique que
a)
b)
c)
d)
le complexe est moins toxique
le complexe est plus dissocié
le complexe est hautement toxique
a&b
15. Un plan d’eau donné est pollué quand son eau
a)
b)
c)
d)
est impropre à la consommation
est impropre à l’usage prévu
contient des éléments métalliques
n’est pas de l’H2O pure
Réponses
1. c) CO2
2. a) le dioxygène atmosphérique
3. c) une partie de ce dioxygène est utilisée par les algues pour leurs propres
processus métaboliques
4. b) diminue la quantité d’oxygène dissout
5. c) CO326. b) la capacité de l’eau à neutraliser les OH7. b) a un pH élevé
8. c) les solutés alcalins dans un litre d’eau pure vont neutraliser 1,00 x 10-3
moles d’H+
9. b) une mole de CO32- peut neutraliser 2 moles de H+
10. a) l’alcalinité totale
11. b) la basicité est un facteur d’intensité indicateur de la valeur du pH
13. d) toutes ces réponses
14. b) le complexe est plus dissocié
15. b) est impropre à l’usage prévu
Chimie et pollution des sols
Cette activité d’apprentissage est un aperçu des mécanismes de la formation des sols
et de leur composition. Les horizons des sols ainsi que leurs caractéristiques physiques et chimiques, la pollution des sols et son contrôle seront également abordés
mais de façon brève.
'qVORUVjOD¿QGHFHWDSSUHQWLVVDJHYRXVGHYULH]rWUHFDSDEOHGH
-
Discuter des mécanismes de la formation des sols
Expliquer la composition des sols
Décrire les propriétés chimiques et physiques des sols
Expliquer les caractéristiques chimiques des différents types de sols
Discuter de la pollution des sols et de ses sources
Expliquer les moyens pour contrôler la pollution des sols
1. Murray N. McBride; Environmental Chemistry of Soils, Oxford university
press Inc, 1994
3. Stanley E. Manahan, The Geosphere and Geochemistry in ‘Environmental
Chemistry’, 8th Edn., CRC Press, 2005
4. Stanley E. Manahan, Soil and Agricultural Chemistry, in ‘Environmental
Chemistry’, 8th Edn., CRC Press, 2005
Liste des liens pertinents
1) Environmental Geochemistry, http://www.ronstoessell.org/environmental_geochemistry.htm#Water_Properties
2) Soil contamination, http://en.wikipedia.org/wiki/Soil_contamination
3) Pollution, http://en.wikipedia.org/wiki/Pollution
4) Soil and the Environment, http://soil.gsfc.nasa.gov/env.htm
5) Environmental Chemistry, http://www.tutorvista.com/content/chemistry/chemistry-iii/environmentalchemistry/environmental-chemistry.php
Liste des ressources pertinentes :
-
Ordinateur avec connexion internet pour accéder librement aux liens et aux
ressources écrites pertinentes
&'URPDFFRPSDJQDQWFHPRGXOHSRXUOHVOHFWXUHVVXSSOpPHQWDLUHVHWYpUL¿HU
les réponses aux exercices donnés dans l’activité d’apprentissage
Chapitre IV : Chimie et pollution des sols (25 hrs)
Chimie des sols
-
Introduction
Composition des sols
Formation des sols
Caractéristiques des sols
Érosion des sols
Pollution des sols
-
Effet de la pollution des sols
4.1 Chimie des sols
4.1.1
Introduction
Le sol est un mélange de matières minérales, végétales et animales, qui se forme au
cours d’un long processus pouvant prendre des milliers d’années. En général, le sol
est une combinaison meuble, ou lâche, de matières organiques et inorganiques. Il est
nécessaire à la croissance de la plupart des plantes et est essentiel aux productions
agricoles. Les composantes inorganiques des sols proviennent principalement de
leur érosion et de celle des minéraux. Les matières organiques sont composées de
débris de plantes et des nombreuses formes de vie microscopiques qui habitent les
sols en décomposition.
La composition chimique et la structure physique des sols sont déterminées par un
certain nombre de facteurs, comme le type de roches, les minéraux et d’autres matières géologiques à partir desquelles les sols sont initialement formés. Le type de
végétation qui pousse sur le sol est également important.
Les ressources alimentaires qui poussent sur les sols sont principalement composées
de carbone, d’hydrogène, de dioxygène, de phosphore, de diazote, de potassium, de
sodium et de calcium. Les plantes tirent ces éléments du sol et les transforment en
végétaux que nous utilisons comme aliments. Chaque plante a ses propres exigences nutritionnelles qu’elle tire du sol au moyen de ses racines. Les nutriments sont
conservés dans le sol dans des « sites d’échange » de composants organiques et
terrestres. Le calcium, le magnésium, le diazote, le potassium et la grande majorité
des micronutriments sont contribuent sous la forme de cations au pH de la plupart
des sols.
4.1.2
Composition des sols
Les sols sont un mélange de composantes organiques et inorganiques : des minéraux, de l’air, de l’eau, des matières végétales et animales. Les particules minérales
et organiques composent approximativement 50 % du volume d’un sol. Les autres
50 % sont constitués de pores, des zones ouvertes de tailles et de formes variées. Le
réseau de pores retient l’eau dans les sols et est également un moyen de transport
pour l’eau. Le dioxygène et les autres gaz se déplacent à les travers des interstices
du sol. Les pores servent également de passage pour de petits animaux et offrent de
l’espace pour la croissance des racines des plantes.
A) Matières inorganiques
Les composantes minérales des sols sont un arrangement de particules de moins de
PPGHGLDPqWUH/HVSpGRORJXHVOHVVFLHQWL¿TXHVTXLpWXGLHQWOHVVROVGLYLVHQW
ces particules en trois grands groupes : le sable, le limon et l’argile. Selon le schéma
GHFODVVL¿FDWLRQXWLOLVpSDUOHGpSDUWHPHQWGHO¶DJULFXOWXUHGHVeWDWV8QLV86'$
les particules de sable ont une taille variant de 0,05 à 2,00 mm, celles de limon de
0,002 à 0,5 mm et celles d’argile de moins de 0,002 mm. En fonction du type de roche
dont elles sont issues, ces particules minérales vont dégager les substances chimiques dont dépendent les plantes pour leur survie, comme le potassium, le calcium,
le magnésium, le phosphore, le soufre, le fer ou le manganèse.
B) Matières organiques
Les matières organiques sont un autre composant essentiel des sols. Certaines de ces
matières sont des reliquats de plantes, par exemple les restes de racines profondément
enfoncées dans les sols, ou des matières qui sont tombées à terre, comme les feuilles
dans une forêt. Ces matières entrent dans le cycle de la décomposition et du pourrissement, un cycle qui fournit d’importants nutriments au sol. En général, la fertilité
des sols est liée à la présence d’une grande quantité de matières organiques.
C) Eau
/HVVROVVRQWpJDOHPHQWFDUDFWpULVpVSDUOHXUHI¿FDFLWpjUHWHQLUHWjWUDQVSRUWHUO¶HDX
Une fois que l’eau entre dans un sol après la pluie ou l’irrigation, la gravité entre en
jeu, entraînant l’écoulement de l’eau vers le bas. Les sols ont différentes capacité à
retenir l’eau contre l’attraction exercée par la gravité et par les racines des plantes.
Les sols grossiers, comme ceux formés principalement de sable, retiennent moins
G¶HDXTXHOHVVROVGHWH[WXUHSOXV¿QHFRPPHFHX[D\DQWXQHSOXVJUDQGHSURSRUWLRQ
d’argiles.
L’eau se déplace également au travers des interstices du sol par capillarité. C’est le
type de mouvement dans lequel les molécules d’eau se déplacent car elles sont plus
attirées par les parois du pore que par les autres molécules d’eau. La direction d’un
tel mouvement va des zones plus humides aux zones plus sèches du sol. L’attraction
des molécules d’eau les unes pour les autres est un exemple de cohésion. L’attraction
des molécules d’eau pour une autre matière, comme le sol ou les racines des plantes
et un type d’adhésion.
4.1.3 Formation des sols
La formation des sols est le processus par lequel les roches sont démolies en particules
de plus en plus petites et mélangées avec des matières organiques en putréfaction.
Le substratum rocheux commence à se désintégrer quand il est soumis aux cycles de
congélation et décongélation, à la pluie et à d’autres forces de l’environnement (I).
Les roches se cassent en « matériau d’origine », qui à son tour se brise en particules
minérales plus petites (II). Les organismes présents dans la zone contribuent à la
formation du sol en facilitant le processus de désintégration en y vivant et en ajoutant
des matières organiques au système lors de leur mort. Alors que le sol continue à se
développer, des couches, appelées horizons, apparaissent (III).
Fig. 4.1 Coupe d’un sol montrant les horizons pédologiques
L’horizon A, l’horizon supérieur, est habituellement le plus riche en matières organiques, alors que l’horizon C, l’horizon inférieur, contient le plus de matières minérales et ressemble le plus au matériau d’origine. À la longue, le sol va être capable
de supporter un épais couvert de végétation et de recycler ses ressources de manière
HI¿FDFH ,9 ¬ FHW pWDSH OH VRO SRXUUD UHQIHUPHU XQ KRUL]RQ % R OHV PLQpUDX[
lessivés seront collectés.
La formation des sols est un processus continu dû à l’effet combiné de cinq facteurs de
pédogenèse : le matériau d’origine, le climat, les organismes vivants, la topographie
et le temps. Chaque combinaison de ces facteurs produit un type de sol unique qui
SHXWrWUHLGHQWL¿pSDUVHVFRXFKHVFDUDFWpULVWLTXHVDSSHOpHVKRUL]RQ/DIRUPDWLRQGHV
sols est également appelée la pédogenèse (du grec « pedon » pour sol et « genesis »
pour origine, naissance).
A) Matériaux d’origine
La première étape de la pédogenèse est la formation du matériau d’origine dont le
sol sera issu. Environ 99 % des sols du monde dérivent de matériaux d’origine de type
minéral, provenant de l’érosion, de la désintégration physique et de la décomposition
chimique du substratum rocheux exposé. En lui-même, le substratum rocheux ne
donne pas directement naissance au sol. Son érosion progressive, via des processus
chimiques et physiques, produit une couche de débris rocheux appelée régolithe.
L’érosion supplémentaire de ces débris, en entraînant la formation de plus en plus de
SDUWLFXOHVSOXV¿QHVHWSOXVSHWLWHVDSRXUFRQVpTXHQFHODIRUPDWLRQGXVRO
B) Climat
Le climat affecte directement la formation des sols. L’eau, la glace, le vent, la chaleur et le froid entraînent de la désagrégation physique en fragilisant et en cassant
OHVURFKHV/¶HDXIHQGOHVURFKHUVTXDQGHOOHV¶LQ¿OWUHGDQVOHVFUHYDVVHVHWTX¶HOOH
gèle. Les roches sont usées par l’eau et le vent ou réduites en morceaux par le lent
mouvement des glaciers. Le climat détermine également la vitesse à laquelle le matériau d’origine subit la désagrégation chimique, un processus par lequel les minéraux
existants sont décomposés en nouveaux composants minéraux. La désagrégation
chimique est plus rapide sous des climats chauds et humides et plus lente sous des
climats froids et secs.
C) Organismes vivants
Alors que le matériau d’origine s’accumule, les organismes vivants y prennent pied
petit à petit. L’arrivée des organismes vivants marque le début de la formation du vrai
sol. Les premiers organismes à s’implanter sont les mousses, les lichens et d’autres
végétaux inférieurs. À leur mort, leurs restes s’ajoutent au sol progressivement jusqu’à
FHTX¶XQH¿QHFRXFKHG¶KXPXVVHIRUPH/HVGpFKHWVDQLPDX[DMRXWHQWGHQRXYHDX[
nutriments qui seront utilisés par les plantes. Une fois que la couche d’humus est
VXI¿VDQWHOHVYpJpWDX[VXSpULHXUVSHXYHQWV¶pWDEOLU/DSUpVHQFHG¶KXPXVGDQVOHV
couches supérieures du sol est très importante car l’humus contient de grandes quantités d’éléments nécessaires à la croissance des plantes.
D) Topographie
La topographie, ou le relief, est un autre facteur important pour la formation des sols.
Le degré de la pente sur laquelle le sol se forme permet de déterminer la quantité de
précipitations qui ruissellera à sa surface et la quantité d’eau qui y sera retenue.
E) Horizons
La plupart des sols, quand ils se forment, sont constitués en une série de couches,
appelées horizons. Ces horizons, qui commencent à la surface et se poursuivent de
plus en plus profondément dans le sol, ont des propriétés et des degrés différents de
désagrégation.
Les pédologues ont donné un nom aux principaux types d’horizons. L’horizon à la
surface est habituellement appelé la couche O. Elle est constituée d’un mélange lâche
de matières organiques, feuilles mortes ou autres types de biomasse. En dessous se
trouve l’horizon A, qui est un mélange de matières organiques et de matières minérales inorganiques. Ensuite vient l’horizon E, une couche de laquelle l’argile, le fer
et les oxydes d’aluminium ont été éliminés par lessivage. La perte de ces matières
par lessivage est connue sous le terme d’éluviation, processus qui donne son nom à
l’horizon E. L’horizon B se trouve sous l’horizon E. C’est là que s’accumulent le fer,
OHVDUJLOHVHWOHVDXWUHVPDWLqUHVOHVVLYpHVGHO¶KRUL]RQ(O¶DIÀX[GHWHOOHVPDWLqUHV
est appelé l’illuviation. Sous l’horizon B se trouve l’horizon C, qui est constitué de
VXEVWUDWXPURFKHX[SDUWLHOOHPHQWpURGpHWHQ¿QO¶KRUL]RQ5OHVXEVWUDWXPURFKHX[
dur.
&HWWHGLVSRVLWLRQHQFRXFKHVOHVXQHVDXGHVVXVGHVDXWUHVUHSUpVHQWHOHSUR¿OSpGRORJLTXH/HVSUR¿OVFKDQJHQWFRQVWDPPHQWPDLVKDELWXHOOHPHQWWUqVOHQWHPHQW(Q
conditions normales, le sol en surface est lentement érodé mais constamment remplacé
par de nouveaux sols créé à partir du matériau d’origine de l’horizon C.
4.1.4 Caractéristiques des sols
/HVVFLHQWL¿TXHVSHXYHQWHQDSSUHQGUHEHDXFRXSVXUODFRPSRVLWLRQHWO¶RULJLQHG¶XQ
sol en étudiant ses diverses caractéristiques : la couleur, la texture, l’agrégation, la
porosité, le contenu en fer ou le pH.
A) Couleur
Les sols peuvent être de différentes couleurs. À la surface des horizons pédologiques,
une couleur noire indique habituellement la présence de matières organiques. Les sols
FRQWHQDQWGHVTXDQWLWpVVLJQL¿FDWLYHVGHPDWLqUHVRUJDQLTXHVVRQWEUXQVIRQFpVRX
noirs. Les colorants des sols les plus fréquents sont dans la gamme rouge orangée, de
la couleur des minéraux d’oxyde de fer qui enrobent les particules du sol. Les oxydes
de fer, de couleur rouge, dominent dans les sols très érodés. Les sols fréquemment
saturés en eau sont de couleur grise, bleue ou verte car les minéraux responsables de
la couleur jaune-rouge ont été lessivés.
B) Texture
La texture du sol dépend de sa proportion en trois composants minéraux principaux :
OHVDEOHOHOLPRQHWO¶DUJLOH'DQVXQVROODWH[WXUHHVWOHUHÀHWGXSRXUFHQWDJHUHODWLI
de chaque type de particule. Les sols principalement constitués de grandes particules
VDEOHV¶DVVqFKHQWUDSLGHPHQWHWVRQWPRLQVIHUWLOHV/HVVROVGHWH[WXUHWUqV¿QH
(argile) sont peu drainés et deviennent rapidement détrempés. Ils sont dès lors peu
adaptés à l’agriculture. Les sols ayant une texture moyenne et une proportion relativement égale de particules de différentes tailles sont plus polyvalents. On considère
que le mélange idéal pour un sol productif est une combinaison de 10 à 20 % d’argile,
avec du sable et du limon en quantité relativement égale et une quantité appropriée
de matières organiques.
C) Agrégation
Individuellement, les particules du sol tendent à s’assembler entre elles pour former
des groupes plus grands appelés agrégats naturels ou peds. L’agrégation est le résultat de forces chimiques complexes agissant sur les petits constituants du sol ou
le résultat de l’action collante sur les particules du sol d’organismes ou de matières
RUJDQLTXHV/DWDLOOHGHVSHGVYDULHGHWUqV¿QHPRLQVGHPPjWUqVJURVVLqUH
(plus de 10 mm).
D) Porosité
La partie du sol qui n’est pas solide est constituée de pores (ou interstices) de tailles
et de formes diverses, parfois petits et séparés, parfois en forme de tubes continus. La
SRURVLWpGXVROHVWGp¿QLHSDUODWDLOOHOHQRPEUHHWO¶DUUDQJHPHQWGHFHVLQWHUVWLFHV
La porosité joue sur le déplacement de l’eau et sur les échanges gazeux. Les sols bien
agrégés ont de nombreux pores, qui sont importants pour les organismes qui vivent
dans le sol et qui ont besoin d’eau et de dioxygène pour survivre. Le transport des
nutriments et des contaminants sera également affecté par la structure et la porosité
du sol.
E) Contenu en ion
Les sols ont également des caractéristiques chimiques importantes. La surface de
certaines particules du sol, principalement des argiles, retient des groupements
d’atomes, les ions. Ces ions sont de charge négative. Comme des aimants, les ions
négatifs (appelés anions) attirent les ions positifs (ou cations). Les cations, le calcium,
le magnésium ou le potassium, sont donc liés aux particules du sol, dans un processus
appelé l’échange de cations. Les réactions chimiques dans l’échange de cation font
en sorte que le calcium et les autres éléments sont transformés en leur forme soluble
dans l’eau, que les plantes peuvent ensuite utiliser. La capacité d’échange de cations
est donc une mesure importante de la fertilité d’un sol.
F) pH
Un autre critère chimique important est le pH du sol, qui se rapporte à son acidité ou
à son alcalinité. Le pH d’un sol va souvent déterminer le type de plantes qui pourront
y croître avec succès.
4.1.5
Érosion des sols
Durant la plus grande part de son histoire, l’homme n’a pas considéré le sol et la terre
comme les ressources précieuses et non renouvelables qu’ils sont. De par le monde,
en conséquence de leur surexploitation et de leur mauvaise utilisation, les sols ont été
dévastés par l’érosion. Cependant, plus récemment, agriculteurs et experts agricoles
se sont de plus en plus intéressés à la gestion des sols.
L’érosion est le résultat de l’action du vent, de l’eau ou de la gravité, qui usent les
surfaces des terres. Dans la nature, l’érosion est très lente, découlant des intempéries et des processus géologiques qui enlèvent de la surface des terres les rochers, le
matériau d’origine ou l’humus. De son côté, l’activité humaine a considérablement
augmenté la vitesse d’érosion.
Dans un champ cultivé, après les récoltes, le sol est souvent laissé à nu, sans aucune
protection contre les éléments, parmi lesquels l’eau. Les gouttes de pluie s’écrasent
contre le sol et en délogent les particules. L’eau de ruissellement emporte ensuite ces
particules au loin. Ce mouvement peut prendre la forme d’un ruissellement de surface
étendu, ou « érosion en nappe ». Plus souvent, la partie érodée du sol se concentre
en petit chenaux, ou rigoles, qui entraînent de l’« érosion en griffes ». La force de
JUDYLWpLQWHQVL¿HO¶pURVLRQGXHjO¶HDX
L’érosion par le vent se produit quand les sols sont secs, à nu et exposés aux vents.
De très petites particules de sol peuvent être suspendues dans l’air et transportées au
loin par le vent. Les particules plus grosses retombent sur la terre dans un processus
appelé la saltation.
4.2 Pollution des sols
Les mauvaises méthodes de gestion des sols ont gravement dégradé leur qualité, les
polluant et en aggravant l’érosion. L’utilisation de fertilisants chimiques, de pesticides
et de fongicides a interrompu les processus naturels et pollué les sols. La pollution
des sols, ou l’accumulation de composés chimiques toxiques, de sels, d’organismes
SDWKRJqQHVRXGHPDWpULDX[UDGLRDFWLIVDXUDXQHLQÀXHQFHQpIDVWHVXUODYLHDQLPDOH
et végétale. La contamination des sols est inquiétante en ce sens qu’elle peut entraîner des risques pour la santé, que ce soit par contact direct ou par la contamination
secondaire des réserves d’eau.
Tous les types de polluants des sols proviennent d’une source. Cette source est particulièrement importante car généralement, c’est à partir d’elle qu’il faut éliminer la
pollution. Une fois que le polluant est libéré de sa source, il peut agir au travers d’un
récepteur. Le récepteur est toute chose qui sera touchée par le polluant. La sous-unité
suivante décrit certaines sources fréquentes de pollution des sols.
4.2.1
Les polluants toxiques les plus fréquents sont les métaux et leurs composés, les substances chimiques organiques, les huiles et les goudrons, les pesticides, les gaz toxiques et explosifs, les matières radioactives, les matières biologiquement actives, les
matériaux combustibles, l’amiante et d’autres matières dangereuses. Ces substances
proviennent fréquemment du bris de réservoir de stockage souterrains, de l’application
de fertilisants chimiques, de pesticides ou de fongicides, de la percolation d’eau de
surface contaminée vers les strates inférieures, du lessivages des ordures des décharges
publiques ou de la libération directe de déchets industriels dans les sols, etc.
4.2.1.1
Pollution par les métaux lourds
Les métaux lourds comme le cadmium, le plomb, le chrome, le cuivre, le zinc, le
mercure ou l’arsenic sont une grande source d’inquiétude. Tous les sols contiennent
naturellement des métaux lourds. Cependant, leur concentration peut être augmentée
par :
-
les industries (industries non ferreuses, centrales énergétiques, industries du
fer et de l’acier, industries chimiques)
- l’agriculture (irrigation avec des eaux polluées, utilisation de fertilisants minéraux)
- incinération des déchets
- combustion des combustibles fossiles
WUD¿FURXWLHU
4.2.1.2
Pollution par les pesticides et les contaminants organiques
Les pesticides utilisés en agriculture polluent directement les sols en touchant les
organismes qui y vivent. Les moyens d’entrée dans le sol des polluants organiques
sont la déposition à partir de l’atmosphère, l’épandage direct sur les terres, la contamination par les eaux usées et l’élimination des déchets.
Les contaminants organiques sont les pesticides et de nombreux autres composés
comme les huiles, les goudrons, les hydrocarbures chlorés, les PCB et les dioxines.
L’utilisation de pesticides peut entraîner :
-
4.2.2
ODGHVWUXFWLRQGHODPLFURÀRUHHWGHODPLFURIDXQHGXVROFHTXLFDXVHGHV
détériorations physiques et chimiques,
une importante diminution du rendement des récoltes
le lessivage des produits chimiques toxiques dans les eaux souterraines, ce
qui représente une menace potentielle pour les ressources en eau potable.
Effets de la pollution des sols
Pour qu’un écosystème existe, il faut des végétaux. Les hommes et les animaux ne
peuvent survivre sans les plantes. Le sol n’est pas uniquement une source de nutriments
pour elles, il est également le support sur lequel elles s’établissent. La pollution des
terres agricoles par les métaux lourds réduit les rendements agricoles et augmente
la concentration de ces métaux dans les récoltes, ce qui les introduit dans la chaine
alimentaire. Les légumes et les céréales ainsi cultivés ont absorbé ces éléments nocifs
et peuvent eux-mêmes représenter un risque sanitaire pour les hommes et les animaux
qui s’en nourrissent.
Un des problèmes importants est que les hommes sont en contact direct avec des sols
potentiellement pollués, dans leurs résidences, dans les parcs, dans les écoles ou les
plaines de jeux. Une autre source de contact avec ces polluants est la consommation
d’eau potable ou l’inhalation de contaminants du sol vaporisés. Les effets sur la santé
de l’exposition à la contamination des sols sont nombreux. Ils varient en fonction
du type de polluant, de la voie de contamination et de la sensibilité de la population
exposée.
Les polluants organiques directement appliqués aux sols ou déposés à partir de l’atmosphère sont absorbés par les plantes ou entraînés vers les plans d’eau. En bout
de ligne, ils affectent la santé humaine et animale car ils sont consommés en même
temps que la nourriture ou l’eau de boisson. Récemment, des recherches ont révélé
que de nombreux polluants chimiques, comme le DDT ou les PCB, avaient une action
similaire à celle des hormones sexuelles et interféraient avec les fonctions reproductrices et avec le développement embryonnaire. Ces substances sont connues comme
des perturbateurs endocriniens. Un autre exemple intéressant est la contamination du
lait qui a eu lieu à Hawaii en 1982. Le lait provenant de différentes sources à Oahu
contenait de très hautes concentrations d’heptachlore. C’est un pesticide qui cause
des cancers et des troubles hépatiques chez la souris, et qui est un carcinogène potentiel pour l’homme. La source de la contamination à l’heptachlore était les feuilles
d’ananas coupées et données à manger au bétail
Les sols sont peut-être moins affectés par la pollution que l’eau ou l’air. Cependant
QHWWR\HUXQVROSROOXpHVWSOXVGLI¿FLOHSOXVFRPSOH[HHWSOXVFRWHX[TXHWUDLWHUO¶HDX
ou l’air. La récupération des sols est une activité beaucoup trop coûteuse.
En plus de ses effets sur l’économie, la santé et les ressources naturelles, la pollution
a des implications sociales. Des recherches ont montré que les populations à faible
revenu ne reçoivent pas la même protection contre les contaminations environnementales que les communautés à revenu plus élevé. Les incinérateurs de déchets
toxiques, les usines chimiques et les décharges sont souvent situées à proximité de
communautés à faible revenu, car ces communautés, ni informées, ni organisées, ne
sont pas impliquées dans les processus de prise de décision municipaux.
4.2.3
/DSUpYHQWLRQGHODSROOXWLRQGHVVROVQpFHVVLWHXQHSODQL¿FDWLRQUDLVRQQpHGHO¶XWLlisation des terres et de nombreuses infrastructures environnementales. Par exemple,
il ne devrait pas être permis aux industries à l’origine de libération accidentelle de
polluants et de composés chimiques toxiques d’être localisées à proximité des stations
de captage d’eau.
Une fois les mesures préventives établies, des contrôles doivent être rigoureusement
mis en place pour s’assurer que les équipements de contrôles de la pollution sont
FRUUHFWHPHQWHQWUHWHQXVHWXWLOLVpVHWTXHOHVHIÀXHQWVOLEpUpVUHVSHFWHQWOHVQRUPHV
d’émission. La qualité de l’environnement doit être contrôlée régulièrement pour
s’assurer que les mesures de contrôle de la pollution sont adéquates.
En agriculture, la lutte biologique contre les maladies et les ravageurs, qui utilise la
prédation naturelle plutôt que les produits chimiques, est une autre façon de limiter
la pollution des sols.
Mais le plus important pour prévenir la pollution est l’éducation des populations
locales. Par exemple, les campagnes anti-détritus peuvent éduquer les gens à ne pas
faire de décharges sauvages.
4.3
1.
Les composants du sol qui provient de l’érosion du sol
a)
b)
c)
d)
2.
Laquelle des propositions suivantes ne contribue pas à la composition chimique
du sol
a)
b)
c)
d)
3.
forment la composante inorganique du sol
forment la composante organique du sol
ne sont pas nécessaires à la croissance des plantes
la nature chimique de la roche sous-jacente
l’activité volcanique
la pluie
Les constituants des sols qui sont facilement lessivés par la pluie et récupérés
par les plantes sont conservés
a)
b)
c)
d)
dans toutes les parties du sol
dans des sites d’échanges des composants organiques et argileux
dans la fraction silicate du sol
uniquement dans la fraction organique du sol
4. Parmi les particules citées ci-dessous laquelle a la taille la plus petite ?
a) le sable b) le limon c) l’argile d) le gravier
5.
Les sols contenant une grande proportion de laquelle des éléments suivants
tendent à être drainés plus vite que les autres ?
a) sable b) limon c) l’argile d) gravier
6. Les organismes vivant dans le sol
a)
b)
c)
d)
7.
contribuent aux composants organiques du sol
n’ont aucun rôle dans la formation du sol
facilitent le processus de désintégration des roches dans la formation du sol
a&c
L’horizon pédologique riche en minéraux est :
a) l’horizon A b) l’horizon B c) l’horizon C d) la couche O
8.
Quelle est la première étape de la pédogenèse ?
a)
b)
c)
d)
9.
la désintégration du matériau d’origine
la formation du matériau d’origine
la dégradation des matières végétales
la formation des horizons pédologiques
Un régolithe est
a) un substrat rocheux
b) un sol formé par l’érosion des roches
c) une couche de débris rocheux formée par l’érosion progressive du substrat
rocheux
d) la composante biologique du sol
10. La couche du sol à partir de laquelle sont lessivés l’argile, le fer et les oxydes
d’aluminium par le phénomène de l’éluviation est
a) l’horizon A b) l’horizon B c) l’horizon C d) l’horizon E
11. Des méthodes malsaines de gestion des sols
a)
b)
c)
d)
dégradent la qualité des sols
entraînent la pollution des sols
aggravent l’érosion
12. Les polluants toxiques des sols les plus fréquents proviennent
a)
b)
c)
d)
du lessivage des déchets des décharges
de l’application d’épandages animaux sur les terres
des pluies acides
des plantes en putréfaction
13. Laquelle des activités humaines suivantes n’augmente pas la concentration en
métaux lourds dans le sol ?
a)
b)
c)
d)
l’industrie et l’agriculture
l’incinération des déchets
la combustion de combustibles fossiles
14. Les polluants organiques pénètrent le sol via
a)
b)
c)
d)
le lessivage du substrat rocheux
la décomposition des débris animaux et végétaux
la déposition à partir de l’atmosphère
15. La pollution des terres agricoles par les métaux lourds peut
D DXJPHQWHUOHUHQGHPHQWDJULFROHHQSURFXUDQWDX[SODQWHVVXI¿VDPPHQWGH
minéraux essentiels
b) introduire des métaux lourds toxiques dans la chaine alimentaire
c) augmenter le nombre de microorganismes du sol qui peuvent stimuler le
rendement des terres
Réponses
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
a) forment la composante inorganique du sol
b) dans des sites d’échanges des composants organiques et argileux
c) l’argile
a) le sable
d) a & c
c) l’horizon C
b) la formation du matériau d’origine
c) une couche de débris rocheux formée par l’érosion progressive du substrat
rocheux
d) l’horizon E
a) du lessivage des déchets des décharges
c) la déposition à partir de l’atmosphère
b) introduire des métaux lourds toxiques dans la chaine alimentaire
?0.SVZZHPYL
Environnement : tous les facteurs externes qui affectent un organisme
Atmosphère : mélange de gaz entourant tout objet céleste ayant un champ graYLWDWLRQQHOVXI¿VDQWSRXUOHVUHWHQLUSULQFLSDOHPHQWO¶HQYHORSSHJD]HXVHGH
la Terre
Écosystème : organismes vivant dans un environnement particulier ainsi que les
parties physiques de l’environnement qui les affectent
Géosphère : la terre solide, incluant le sol, qui supporte la vie de la plupart des
plantes
Hydrosphère : l’eau de la Terre
Biosphère: toutes les choses vivant sur Terre
AnthroposphèreSDUWLHGHO¶HQYLURQQHPHQWIDLWHRXPRGL¿pHSDUO¶KRPPHHW
utilisée pour ses activités
)DXQHHWÀRUH : animaux et plantes, collectivement
Couche d’ozone¿QHFRXFKHGHO¶DWPRVSKqUHVXSpULHXUHTXLHVWULFKHHQPROpcules d’O3 et sert de bouclier contre les rayonnements ultraviolets délétères
du soleil
Combustibles fossiles : matière organique du bois ou hydrocarbures des gaz naturels, charbon, pétrole, etc. issues de la décomposition partielle d’organismes
animaux et végétaux qui ont vécu sur Terre il y a très longtemps
3ROOXWLRQ : présence excessive d’une substance produite par l’activité humaine
dans un environnement inapproprié
3OXLHVDFLGHV : pluies ayant une acidité anormalement élevée suite à des interactions avec des polluants atmosphériques
Smog photochimique : pollution atmosphérique produite quand la lumière du
soleil produit des réactions chimiques entre les hydrocarbures et les oxydes
d’azote provenant de la circulation automobile
Effet de serre : réchauffement de la Terre par de la chaleur solaire emprisonnée
par l’effet isolant des gaz atmosphériques
Réchauffement global : augmentation des températures moyennes de l’atmosphère
3ROOXWLRQGHO¶HDX : pollution de l’eau, contamination des rivières, des lacs, des
eaux souterraines, des baies ou des océans par des substances dangereuses
pour les organismes vivants
3ROOXWLRQGHO¶DLU : accumulation de substances dangereuses dans l’atmosphère,
altérant l’environnement, la santé humaine et la qualité de vie
Déchets dangereux : déchets solides, liquides ou gazeux qui peuvent entraîner
la mort ou causer des maladies ou des blessures aux personnes, détruire l’environnement s’ils sont traités, entreposés, transportés ou éliminés de manière
incorrecte
Horizons pédologiques : développement du sol en multiples couches
Climat : conditions atmosphériques prévalant dans une région donnée
?003PZ[LJVTWSu[LKLZSLJ[\YLZPTWVZtLZ
Lecture # 1
Air Pollution and chemical Reactions in the AtmosphereGDQVOH¿FKLHU©&RPS
R-airpollutants » du CD d’accompagnement
Résumé
Ce texte est une étude sur les principaux problèmes liés à la pollution de l’air. L’air a
des niveaux élevés de fumée et de dioxyde de soufre qui proviennent de la combustion
des combustibles fossiles qui contiennent du soufre. La principale menace pour la
qualité de l’air est due aux émissions du parc automobile. Dans tous les cas, sauf le
pire, les sources de polluants, industrielles et domestiques, ainsi que leur impact sur
la qualité de l’air, tendent à être stables ou à s’améliorer avec le temps. Cependant les
problèmes liés à la pollution routière s’aggravent de par le monde. Les principaux polluants produits par les sources industrielles, domestiques et routières sont le dioxyde
GHVRXIUHOHVR[\GHVG¶D]RWHOHPRQR[\GHG¶D]RWHOHVSDUWLFXOHV¿QHVO¶R]RQHOHV
micropolluants organiques toxiques, les composés organiques volatiles, etc.
-XVWL¿FDWLRQ
Ce texte a été écrit pour vous donner une documentation assez détaillée sur les principaux polluants atmosphériques et les diverses réactions chimiques qu’ils subissent. Il
UHQIHUPHpJDOHPHQWODGp¿QLWLRQGHVSOXLHVDFLGHVHWXQHGHVFULSWLRQGHOHXURULJLQH
ainsi que des raisons pour lesquelles toutes les eaux de pluie sont acides, même celles
se formant dans une atmosphère non polluée.
Il détaille également les variations de température, de pression et de composition
chimiques dans les différentes couches de l’atmosphère.
Lecture #2
Nature and Types of Water PollutantsGDQVOH¿FKLHU©&RPS5ZDWHUSROOXWDQWV
andWHO guideline » du CD d’accompagnement
Résumé
Ce texte donne une description des principaux polluants des eaux. Les polluants des
eaux sont classés sur la base de leur nature chimique, biologique ou physique qui
détériore la qualité de l’eau. En fonction des dangers qu’ils représentent, ils sont répartis en huit catégories : produits pétroliers, herbicides et pesticides, métaux lourds,
déchets dangereux, matières organiques en excès, sédiments, organismes infectieux
et pollution thermique. Chaque polluant est brièvement explicité.
Après ses diverses utilisations, les eaux rejetées par les résidences, les entreprises et
OHVLQGXVWULHVG¶XQHFRPPXQDXWpVRQWDSSHOpHVHDX[XVpHV&HWWHGp¿QLWLRQLQWqJUH
l’eau dont nous nous servons pour nous laver, pour laver nos vêtements, notre vaisselle,
notre nourriture tout comme l’eau que nous jetons dans les toilettes. Les eaux usées
non traités sont un polluant potentiel des eaux de surface et des eaux souterraines.
Elles doivent être traitées avant d’être rejetées dans l’environnement.
Le traitement des eaux peut être séparé en trois grandes catégories :
-
SXUL¿FDWLRQSRXUXVDJHGRPHVWLTXH
traitement pour des applications industrielles spécialisées
WUDLWHPHQWGHVHDX[XVpHVD¿QGHOHVUHQGUHDFFHSWDEOHVSRXUOHXUUHMHWRXOD
réutilisation
-XVWL¿FDWLRQ
&HWH[WHYRXVGRQQHODGp¿QLWLRQGHODSROOXWLRQGHVHDX[DLQVLTXHOHVSDUDPqWUHV
décrivant la pureté de l’eau, une brève description des eaux usées et de leurs sources
et les méthodes utilisées pour traiter les eaux usées avant leur libération.
Un étudiant en chimie environnementale devrait comprendre que l’eau potable peut
contenir un taux relativement élevé d’éléments (minéraux) alors que sa concentration
en métaux lourds doit être faible. Ce texte reprend les valeurs limites de ces substances
dans l’eau potable données par l’OMS.
Lecture #3
¿FKLHUSGICarbondioxide and Water Acidity GDQVOH¿FKLHU©&RPS5:DWHU
acidity » du CD d’accompagnement
Résumé
L’eau de surface, les eaux souterraines et les eaux existant dans tout type de milieu
VRQWVRLWDFLGHVVRLWQHXWUHVVRLWDOFDOLQHV&HWH[WHGRQQHODGp¿QLWLRQODSOXVVLPSOH
de l’acidité : le pH. Dans ce cas, « l’acidité » est liée à la concentration en protons et
OHS+HVWGp¿QLFRPPHOHORJDULWKPHQpJDWLIHQEDVHGL[GHODFRQFHQWUDWLRQHQLRQ
hydrogène dans une solution.
Le dioxyde de carbone dissous est la source la plus fréquente d’acidité dans l’eau. Ce
texte détaille l’équilibre entre l’eau et l’atmosphère qui permet l’entrée du dioxyde
de carbone dans l’eau.
Le pH d’un plan d’eau qui ne contient pas de calcaire sera différent de celui en
contentant. Les pH des différentes eaux peuvent être calculés en prenant en compte
les différents équilibres présents dans l’eau. Ce texte détaille les calculs des valeurs
de pH de tels plans d’eau en appliquant la loi de Henry.
/¶DOFDOLQLWpHVWGp¿QLHFRPPHODFDSDFLWpG¶XQSODQG¶HDXjQHXWUDOLVHUOHVLRQV++.
Ce concept est similaire à la capacité tampon en ce sens qu’une alcalinité plus élevée
HVWDVVRFLpHjODFDSDFLWpG¶XQSODQG¶HDXj©DEVRUEHUªOHVSURWRQVVDQVPRGL¿HUVRQ
pH et est différent de la basicité qui est elle directement liée au pH. Au plus élevé est
le pH, au plus l’eau sera basique.
-XVWL¿FDWLRQ
Le pH est un des paramètres utilisés pour décrire la pureté de l’eau. En tant qu’étudiant en chimie environnementale, vous avez dès lors besoin d’expliquer les raisons
qui expliquent les niveaux d’acidité des plans d’eau. Ce texte est essentiel car il vous
donne un exposé clair et bref sur l’origine de l’acidité de l’eau, sur les équilibres qui
existent dans les plans d’eau et qui sont responsables de son acidité, etc. Il donne
pJDOHPHQWODGp¿QLWLRQGHO¶DOFDOLQLWpXQFRQFHSWLPSRUWDQWSRXUFRPSUHQGUHOHV
effets des pluies acides.
Lecture #4
¿FKLHUSGIGreen Chemistry, Preventing pollution GDQVOH¿FKLHU©*UHHQ&KHP
Note » du CD d’accompagnement
Résumé
La prévention de la pollution est indubitablement une meilleure option que de
chercher des actions correctives après avoir généré la pollution. La chimie verte est
une philosophie encourageant la mise au point de produits et de procédés qui réduisent ou éliminent l’utilisation et la production de substances dangereuses. Dit plus
simplement, il s’agit de l’utilisation de techniques et de méthodologies chimiques
qui réduisent ou éliminent l’utilisation ou la production de matières premières, de
produits, de sous-produits, de solvants ou de réactifs dangereux pour la santé huPDLQHRXO¶HQYLURQQHPHQWHWGHPD[LPLVHUO¶HI¿FDFLWpGHWRXWFKRL[GHVXEVWDQFH
ou procédé chimique.
Le but principal de la chimie verte est de réduire et de prévenir la pollution à sa source.
C’est tout à la fois la chimie de demain et celle d’aujourd’hui.
-XVWL¿FDWLRQ
En tant qu’étudiant en chimie, vous pourriez être appelé à décrire des moyens nobles pour limiter la pollution à sa source. Ce texte vous donne en exemple certains
moyens tenant compte de l’environnement pour synthétiser certaines substances en
comparaison avec d’autres méthodes ne prenant pas l’environnement en compte. Il
vous donnera également un aperçu des efforts déployés par les chimistes pour arrêter la pollution environnementale à sa source plutôt que pour tenter de chercher une
méthode de récupération après pollution.
?0003PZ[LJVTWSu[LKLZSPLUZ\[PSLZ
Lien utile #1
IB Chemistry Environmental Chemistry – Wikibooks, collection of open-content
textbooks
Titre : IB Environmental Chemistry Notes I. Primary Air Pollution
85/ : http://en.wikibooks.org/wiki/IB_Chemistry_Environmental_Chemistry
Description : Ce site vous donnera des informations pertinentes sur la pollution atmosphérique. De plus, pour les étudiants et les autres visiteurs intéressés par la chimie
environnementale, ce site est une ressource internet précieuse car leur permettant
de trouver des informations et des réponses aux questions qu’ils se poseraient. Les
étudiants sont encouragés à visiter ce site.
-XVWL¿FDWLRQ : Il est recommandé aux étudiants de visiter ce lien car il fournit des
lectures pertinentes qui leur seront utiles pour renforcer leur compréhension des
thèmes de chimie atmosphérique, en particulier la pollution atmosphérique.
Lien utile #2
Environmental chemistry - Wikipedia, the free encyclopedia
Titre : Environmental Chemistry
85/ : http://en.wikipedia.org/wiki/Environmental_chemistry
Description&HVLWHIRXUQLWOHVGp¿QLWLRQVHWGHVGHVFULSWLRQVGpWDLOOpHVGHODSOXpart des termes mentionnés dans ce module. Il offre également une description des
différences entre la chimie environnementale et la chimie verte, qui sont souvent
confondues par la majorité des étudiants en chimie.
-XVWL¿FDWLRQ : La chimie environnementale nécessite une première compréhension du
fonctionnement d’un environnement non contaminé et de quels substances chimiques
sont naturellement présentes, en quelle concentration et avec quels effets. Sans cela,
il serait impossible d’étudier avec précision les effets que l’homme a sur l’environnement en y libérant des produits chimiques.
Il est conseillé aux étudiants de visiter ce lien car il renferme des lectures utiles sur la
contamination, en faisant le lien avec les concentrations naturelles en contaminants.
Ce site décrit également les impacts humains sur l’environnement.
Useful Link #3: Environmental chemistry.Com
Titleutile
: Environmental
Chemistry & Hazardous Materials, News, Careers &
Lien
#3
Resources
Environmental chemistry.Com
URL : http://environmentalchemistry.com/
Titre : Environmental Chemistry & Hazardous Materials, News, Careers & Resources
Screen capture
85/ : http://environmentalchemistry.com/
Environmental, Chemistry & Hazardous Materials News,
Careers & Resources
Site Menu
Skip menu and go to content
Environmental Issues, Consumer Health & Food Safety Concerns
Chemistry
Description: This site provides brief but important descriptions on all the topics
covered in this module. This site also offers links to related websites.
Rationale: Students are advised to visit this site to get detailed descriptions of all
the topics which are not discussed in depth in the module. The topics
covered in the site and which are relevant to the discussions in this
module are: stratospheric chemistry (the ozone layer); air pollution;
chemistry of the atmosphere; the greenhouse effect and global
warming.
Description : Ce site contient des descriptions courtes mais importantes sur tous
les thèmes développés dans ce module. Il donne également des liens vers des sites
reliés.
-XVWL¿FDWLRQ : Il est recommandé aux étudiants de visiter ce site pour obtenir des
descriptions détaillées de tous les thèmes qui ne sont pas abordés en profondeur dans
le module. Les sujets développés dans ce site et qui sont pertinents pour les thèmes
du module sont la chimie stratosphérique (le couche d’ozone), la pollution de l’air,
la chimie de l’atmosphère, l’effet de serre et le réchauffement global.
Lien utile #4
(QYLURQPHQWDO&KHPLVWU\7KLUG(GLWLRQ
85/ : http://bcs.whfreeman.com/envchem3e/default.asp?s=&n=&i=&v=&o=&ns
=0&uid=0&ra
Description : Ce site web accompagne le livre « Environmental Chemistry », troisième édition (publié par WH Freeman). Il a été développé pour servir de ressource
libre additionnelle pour les étudiants et les professeurs utilisant le manuel.
-XVWL¿FDWLRQ : Il s’agit d’un site utile pour les étudiants car il fournit des exercices et
des liens vers d’autres sites reliés. Les thèmes suivant sont étudiés en profondeur : la
chimie stratosphérique (la couche d’ozone), la pollution de l’air au niveau du sol, la
chimie de l’atmosphère, l’effet de serre et le réchauffement global, les changements
climatiques futurs (prévisions, conséquences et moyens de contrôle), les combustibles
alternatifs et l’économie d’hydrogène, la chimie des eaux naturelles, la pollution et la
SXUL¿FDWLRQGHVHDX[OHVPpWDX[ORXUGVWR[LTXHVOHVGpFKHWVGDQJHUHX[HWOHVGpFKHWV
municipaux et la contamination des sols et des sédiments.
Lien utile #5
Virtual ChemBook
Titre : Environmental chemistry
85/ : http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/
Description : Ce site couvre de manière extensive tous les thèmes d’un cours d’introduction à la chimie environnementale. Il donne des suggestions sur l’ordre de
lecture des sujets, mais les étudiants peuvent sélectionner n’importe quel thème qu’ils
souhaitent pour en apprendre plus.
-XVWL¿FDWLRQ : Ce site offre un excellent matériel de lecture qui aidera les étudiants
à revoir tous les thèmes abordés dans ce module. En plus de ces lectures pertinentes,
l’étudiant y trouvera des questionnaires d’apprentissage et de découverte qui l’aideront à s’auto-évaluer.
Lien utile #6
*HQHUDO&KHPLVWU\*ORVVDU\(QYLURQPHQWDO&KHPLVWU\
85/ : http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/environmental/glossary.shtml
Description : Cette page est un glossaire général des termes de chimie environnePHQWDOHDYHFGHEUqYHVGp¿QLWLRQVHWGHVK\SHUOLHQVYHUVOHVWHUPHVUHOLpV
-XVWL¿FDWLRQ&HWWHSDJHGRQQHGHEUqYHVGp¿QLWLRQVGHSUHVTXHWRXVOHVWHUPHV
mentionnés dans ce module. Les étudiants trouveront cette page utile s’ils cherchent
GH EUqYHV Gp¿QLWLRQV GHV WHUPHV TXL SHXYHQW QH SDV rWUH Gp¿QLV VRXV FHWWH IRUPH
dans le module. Cette page contient également des liens utiles pour la chimie environnementale.
Lien utile #7
Science, Engineering and Technology
85/ : http://www.intute.ac.uk/sciences/cgi-bin/search.pl?term1=environmental+c
hemistry&limit=0
Description : Cette page donne des discussions sur l’ensemble des sujets dont la
chimie de l’eau, la pollution de l’eau, la chimie et la pollution atmosphériques, l’effet
de serre et la chimie verte.
-XVWL¿FDWLRQ : Les textes de ce site sont très importants et pertinents pour l’étudie,
dans leurs grandes lignes, les sujets abordés dans ce module. Les étudiants ont accès à des développements clairs sur les concepts clefs de la chimie des eaux et de
l’atmosphère, de l’effet de serre et du réchauffement global et à la diminution de la
couche d’ozone. Le contenu est bien organisé et facilement accessible.
Lien utile #8
*UHHQ3DFN
Titre : Green Pack: Environmental Components
85/ : http://greenpack.rec.org/soil/index.shtml
ENVIRONMENTAL
COMPONENTS
THREATS AND
PRESSURES
HUMAN ACTIVITIES
GLOBAL
CHALLENGES
VALUES
Description : Ce site renferme toute une série de matériels didactiques pour l’éducation à l’environnement. Il aborde également dans la sous-section « Environmental
Components » des thèmes très importants qui sont pertinents pour les activités
d’apprentissage.
-XVWL¿FDWLRQ : Dans « Environmental Components » se retrouvent l’air, l’eau, le sol
et la biodiversité. Les discussions sur tous ces thèmes sont extrêmement pertinentes
pour les activités d’apprentissage de ce module. Il est recommandé aux étudiants de
visiter ce lien pour renforcer leur compréhension des différents sujets : chimie de
l’atmosphère, chimie de l’eau, sol et pollution.
?0=:`U[OuZLK\TVK\SL
Ce module a été conçu pour donner aux étudiants les concepts généraux de chimie
environnementale. Son but est d’amener ces étudiants à être capable d’appliquer
ses connaissances en chimie pour comprendre les questions environnementales. Le
module entier comprend quatre activités d’apprentissage.
Avant de traiter en détail la chimie des trois constituants majeurs de notre environQHPHQWOHVpWXGLDQWVGHYUDLHQWrWUHFDSDEOHVGHGp¿QLUHWG¶H[SOLTXHUOHVGLIIpUHQWHV
parties de l’environnement, d’apprécier les usages de nos ressources naturelles et la
façon dont elles sont menacées par des activités humaines irresponsables. Dès lors
la première activité d’apprentissage propose une étude générale de l’environnement.
Sont concernées par cette phase, les menaces de la consommation excessive des
ressources par les êtres humains, l’augmentation de la population, l’industrialisation
et la pollution.
La deuxième activité d’apprentissage est une étude sur l’atmosphère et sa pollution.
Y sont abordées en détail la division de l’atmosphère basée sur les variations de
température avec l’altitude, la composition des différentes régions de l’atmosphère
et les réactions chimiques y ayant lieu. De plus, un accent est mis sur le problème le
plus urgent du 21ième siècle, la pollution atmosphérique. Y sont traitées les principales classes de polluants atmosphériques et leurs sources, la diminution de la couche
d’ozone, les pluies acides et le réchauffement global.
La 3ième activité d’apprentissage porte sur l’hydrosphère et la pollution de l’eau. Les
propriétés de l’eau qui la rendent unique en son genre, les réactions chimiques qui
RQWOLHXGDQVOHVSODQVG¶HDXOHVIDFWHXUVTXLLQÀXHQFHQWOHVSURSULpWpVDFLGHVGHV
plans d’eau naturels et la pollution des eaux sont les point principaux abordés dans
cette activité d’apprentissage.
La 4ième activité d’apprentissage porte sur la chimie et la pollution des sols. Y sont
abordés les processus de formation des sols, les principaux composants du sol et leur
FODVVL¿FDWLRQO¶pURVLRQHWVHVLPSDFWVODSROOXWLRQGHVVROVOHVVRXUFHVGHSROOXWLRQ
et les effets de la pollution des sols.
?=i]HS\H[PVUZVTTH[P]L
1.
Laquelle des propositions suivantes est inexacte à propos de l’atmosphère ?
a) elle nous permet d’avoir une température ambiante en absorbant une partie
des rayonnements qui atteignent le terre
b) elle protège la vie sur terre des rayonnements dangereux provenant de l’espace
c) elle est la source du dioxyde de carbone qui sert à la photosynthèse des plantes
et de l’oxygène qui sert à la respiration
2.
La géosphère est divisée en plusieurs couches. Quelle couche est la plus importante pour la science de l’environnement ?
a)
b)
c)
d)
3.
la lithosphère
l’écorce et le manteau externe
le noyau interne
a&b
Par laquelle des réactions suivantes est représentée la production de biomasse
hautement énergétique par la photosynthèse des plantes ?
a)
b)
c)
d) aucune de ces réactions
4. Une utilisation excessive des combustibles fossiles va entraîner
a)
b)
c)
d)
5.
une augmentation de la concentration globale en CO2
une diminution de la température globale
une diminution du niveau des mers
une augmentation du niveau de glace sur les calottes glaciaires
Le composant gazeux le plus abondant dans l’atmosphère terrestre est
a) l’oxygène b) le dioxyde de carbone c) l’azote d) le dioxyde de soufre
6. La pression atmosphérique
a) augmente avec l’altitude
b) diminue quand l’altitude augmente
c) ne change pas avec l’altitude
d) augmente avec l’altitude dans la stratosphère
7.
Quand l’altitude augmente dans la troposphère,
a)
b)
c)
d)
8.
la température et la pression augmentent
la température diminue alors que la pression augmente
la température et la pression diminuent
la température augmente alors que la pression diminue
Quand l’altitude augmente, la température de l’atmosphère
a) augmente dans la stratosphère puis diminue dans la mésosphère
b) augmente dans la troposphère puis diminue dans la stratosphère
c) augmente dans la mésosphère puis diminue dans la thermosphère
d) augmente dans la troposphère, la mésosphère et a thermosphère
/DWHPSpUDWXUHGHO¶DWPRVSKqUHDWWHLQWVRQPLQLPXPjOD¿QGH
a) la stratosphère
b) la mésosphère
c) la troposphère
d) la thermosphère
10. La couche isotherme est
a)
b)
c)
d)
la couche atmosphérique au dessus de la thermosphère
la couche de l’atmosphère où la température augmente de manière constante
la couche de l’atmosphère où la température diminue de manière constante
la couche de l’atmosphère où la température reste constante
11. Dans la thermosphère, où les températures semblent extrêmes, la quantité d’énergie thermique mise en jeu est minime. Pourquoi ?
a) la chaleur conservée par les molécules est perdue à cause de la vitesse élevée
et des collisions fréquentes entre les molécules dans la thermosphère
b) il n’y a pas beaucoup de molécules qui peuvent conserver la chaleur
F OHVPROpFXOHVJD]HXVHVWURXYpHVGDQVODWKHUPRVSKqUHQHVRQWSDVDXVVLHI¿caces que les molécules des autres sections de l’atmosphère pour conserver
la chaleur
d) toutes ces raisons
12. Laquelle de ces réactions montre la perte d’un ion hydroxyle de la troposphère ?
a) H + O2 A HOO•
b) CH4 + HO• A H3C• + H2O
c) H + HO• A H2O
d) HO• + HOO• A H2O + O2
13. L’ammoniac est une base importante dans l’air car
a)
il n’y a pas d’autre base dans l’air pour neutraliser les acides atmosphériques
en dehors de l’ammoniac
b) c’est une base faible
c) il est soluble dans l’eau et est capable de neutraliser les acides atmosphériques
d) c’est la seule base qui peut neutraliser les acides retrouvés dans l’environnement
14. Les pluies acides sont le résultat de
a) la dissolution du dioxygène libéré par les plantes dans l’humidité de l’air
b) la dissolution dans la pluie ou l’humidité atmosphérique des gaz polluants
comme le dioxyde de soufre provenant des émissions industrielles
c) la dissolution dans la pluie ou l’humidité atmosphérique de l’ammoniac provenant des émissions industrielles
15. L’eau de pluie collectée à partir d’une atmosphère non polluée sera
a) acide b) alcaline c) neutre d) aucune de ces réponses
16. Pourquoi les CFC sont considérés comme de dangereux destructeurs de l’O3 ?
a) les molécules de CFC sont stables et peuvent atteindre la stratosphère sans
être détruites
b) un seul atome de chlore des CFC peut prendre part à plusieurs réactions
chimiques qui détruisent l’O3
c) les CFC sont les seules substances chimiques à détruire l’O3
d) a & b
17. Laquelle des propositions suivantes est le résultat du réchauffement global ?
a)
b)
c)
d)
l’augmentation du niveau de glace sur les calottes glaciaires
l’augmentation du nombre d’espèces animales
l’augmentation du rendement des récoltes
la submersion des cités côtières
18. Laquelle des pratiques suivantes peut réduire les pluies acides et d’autres formes
de pollution atmosphérique ?
a) l’utilisation de sources d’énergie alternative
b) l’élimination des polluants des produits de combustion
F O¶DPpOLRUDWLRQGHO¶HI¿FDFLWpGHVSURFHVVXVGHFRPEXVWLRQ
19. Le gaz naturel est recommandé comme source alternative d’énergie pour les
véhicules motorisés car
a) il contient peu d’impuretés soufrées
b) il y a de grandes réserves mondiales
c) c’est une source d’énergie appropriée, particulièrement pour les véhicules
motorisés
d) a & b
20. La plupart des propriétés uniques de l’eau sont dues
a)
b)
c)
d)
à sa masse moléculaire
à son moment dipolaire et à sa capacité à former des liens hydrogène
à sa structure moléculaire
21. L’eau à 0 °C est moins dense qu’à 4 °C. Laquelle des propositions suivantes est
un avantage de cette propriété unique de l’eau ?
a)
b)
c)
d)
cela protège les villes côtières des inondations
cela permet d’avoir plus de glace sur les calottes glaciaires
cela permet d’avoir plus d’eau froide, meilleure à boire
cela empêche les animaux aquatiques de geler pendant l’hiver
22. Une fois que l’eau entre dans le sol, elle est entraînée en profondeur par
a)
b)
c)
d)
l’irrigation
l’action de la gravité
l’action capillaire
b&c
23. L’attraction des molécules d’eau entre elles est un exemple de
a)
b)
c)
d)
cohésion
adhésion
lien ionique
liaison coordonnée covalente
24. Si la quantité de sels dissouts dans l’eau est élevée,
a)
b)
c)
d)
l’absorption d’eau par les racines et les graines des plantes augmente
l’absorption d’eau par les racines et les graines des plantes diminue
le sol ne retiendra pas l’eau
b&c
25. Laquelle des propriétés uniques de l’eau permet la distribution de la chaleur
d’une partie du globe à l’autre ?
a) elle est de faible densité lorsqu’elle est congelée
b) il y a une grande différence entre sont point de fusion et son point d’ébullition
c) elle a une chaleur massique élevée
d) elle peut dissoudre de nombreuses substances
26. Quel est le principal facteur négatif de la croissance des plantes et des algues
dans les plans d’eau ?
a) elles utilisent les nutriments inorganiques dans l’eau
b) elles empêchent les autres formes de vie aquatique d’avoir accès à la lumière
du soleil
c) leur décomposition consomme le dioxygène dissout, essentiel aux animaux
aquatiques
d) leur décomposition consomme du dioxyde de carbone dissout, essentiel aux
animaux aquatiques
27. La pollution thermique peut tuer les animaux aquatiques
a)
b)
c)
d)
en diminuant le taux de dioxygène dissous
en diminuant la quantité d’eau des plans d’eau par évaporation
en augmentant le taux en différents gaz dissouts dans l’eau
28. Laquelle des réactions suivantes, montre la nature acide de l’ion bicarbonate
dans l’eau ?
a) HCO3- A CO32- + H+
b) HCO3- + H+ A CO2 (aq) + H2O
c) CO2 (aq) + H2O A HCO3- + H+
d) toutes
29. Le pH d’une rivière est de 8 et sa concentration en CO32- de 2,5 x 10-5 M. Étant
donné que la constante de dissociation de l’ion bicarbonate est de 4,7 x 10-11,
quelle sera l’alcalinité de la rivière ?
a) 5,37 x 10-25
b) 5,32 x 10-5
c) 5,37 x 10-3
d) 5,32 x 10-3
30. L’eutrophisation est
a) la dissolution du dioxygène dans des plans d’eau à une concentration qui
supporte la vie aquatique
b) la diminution de la concentration en dioxygène des plans d’eau à des niveaux
létaux
c) la diminution de la concentration en dioxyde de carbone des plans d’eau
d) b & c
Réponses
1. d) aucune de ces propositions
2. d) a & b
3. a)
4. a) une augmentation de la concentration globale en CO2
5. c) l’azote
6. b) diminue quand l’altitude augmente
7. c) la température et la pression diminuent
8. a) augmente dans la stratosphère puis diminue dans la mésosphère
9. b) la mésosphère
10. d) la couche de l’atmosphère où la température reste constante
11. b) il n’y a pas beaucoup de molécules qui peuvent conserver la chaleur
12. b) CH4 + HO• A H3C• + H2O
13. c) il est soluble dans l’eau et est capable de neutraliser les acides atmosphériques
14. b) la dissolution dans la pluie ou l’humidité atmosphérique des gaz polluants
comme le dioxyde de soufre provenant des émissions industrielles
15. a) acide
16. d) a & b
17. d) la submersion des cités côtières
18. d) toutes ces réponses
19. a) il contient peu d’impuretés soufrées
20. b) à son moment dipolaire et à sa capacité à former des liens hydrogène
21. d) cela empêche les animaux aquatiques de geler pendant l’hiver
22. d) b & c
23. a) cohésion
24. b) l’absorption d’eau par les racines et les graines des plantes diminue
25. c) elle a une chaleur massique élevée
26. c) leur décomposition consomme du dioxygène dissout, essentiel aux animaux
aquatiques
27.
28.
29.
30.
a) en diminuant le taux de dioxygène dissouts
a) HCO3- A CO32- + H+
c) 5,37 x 10-3
b) la diminution de la concentration en dioxygène des plans d’eau à des niveaux létaux
?=09tMtYLUJLZ
Board on Atmospheric Sciences and Climate, Commission on Geosciences,
Environment, and Resources, National Research Council, The Atmospheric Sciences: Entering the Twenty-First Century, National Academy Press,
Washington, D.C., 1998.
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tdri.or.th/library/quarterly/text/s90_4.htm
Thomas G. Spiro and William M. Stigliani, Chemistry of the Environment, Prentice
Hall, 2nd edition, 2003.
WHO, Guidelines for Drinking-Water Quality - Second Edition - Volume 1 – Recommendations, Geneva, 1993
Wolt, Jeffrey D., Soil Solution Chemistry: Applications to Environmental Science
and Agriculture, John Wiley & Sons, New York, 1994.
?=00(\[L\YWYPUJPWHSK\TVK\SL
Parcours académique :
B.Sc en chimie; Asmara University, Asmara, Éritrée (1985)
M.Sc en chimie analytique; Addis Ababa University, Éthiopie (1990)
PhD en chimie analytique environnementale; Karlfranzens University, Graz,
Autriche (2001)
Post doc. Hebrew University of Jerusalem, Israel (2004)
Le Dr. Dejene a enseigné plusieurs cours de chimie et de chimie environnementale
à des étudiants de premier cycle et de cycles supérieurs à l’Université de Jimma en
Éthiopie. Il est actuellement professeur associé en chimie.
Il a été chef de département pendant de nombreuses années et est actuellement doyen
de la faculté de l’éducation à l’Université de Jimma.
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Nom de l’étudiant
Total
Note au test 1, sur Note au test 2, sur Note à l’évaluation
les chapitres I et les chapitres III et sommative (40 %)
II (30 %)
IV (30 %)
CHIMIE ENVIRONNEMENTALE
Lectures Obligatoires
Source: Wikipedia.org
1
Table des matières
Atmosphère terrestre ........................................................................................................................4
Description ...................................................................................................................................5
Composition chimique détaillée ....................................................................................................5
Structure ......................................................................................................................................6
Couche d'ozone .........................................................................................................................7
Stratosphère .............................................................................................................................7
Mésosphère ...............................................................................................................................8
Thermosphère ..........................................................................................................................8
Ionosphère ................................................................................................................................8
Exosphère .................................................................................................................................8
Pression et épaisseur ....................................................................................................................9
Densité et masse ......................................................................................................................... 10
Opacité ....................................................................................................................................... 10
Diffusion des ondes ................................................................................................................. 10
Absorption .............................................................................................................................. 11
Émission ................................................................................................................................. 12
Circulation ................................................................................................................................. 12
Phénomènes optiques ................................................................................................................. 13
Pluie acide....................................................................................................................................... 13
Mécanismes de formation ........................................................................................................... 15
Pluies basiques ........................................................................................................................ 15
Répartition géographique .......................................................................................................... 15
Conséquences des pluies acides .................................................................................................. 15
Conséquences sur la flore ....................................................................................................... 16
Impacts sur les bâtiments ....................................................................................................... 16
Effets sur la faune ................................................................................................................... 16
Réactions, évolutions législatives ................................................................................................ 17
Couche d'ozone ............................................................................................................................... 18
L'ozone stratosphérique .............................................................................................................. 20
Processus de formation ............................................................................................................ 20
Un équilibre dynamique ........................................................................................................... 21
2
L'action des composés chlorés .................................................................................................. 21
Bilan ........................................................................................................................................ 22
Données sur la couche d'ozone .................................................................................................... 22
Perte continue d'ozone en Antarctique ..................................................................................... 22
Perte d'ozone en Arctique ........................................................................................................ 24
L'action des ultraviolets sur les organismes vivants ...................................................................... 24
L'action planétaire pour la préservation de la couche d'ozone ...................................................... 24
Mesures prises ......................................................................................................................... 24
L'avenir ................................................................................................................................... 25
Pollution de l'air ............................................................................................................................. 25
Histoire ....................................................................................................................................... 26
Principales sources de la pollution .............................................................................................. 27
Les véhicules à moteur ............................................................................................................ 27
La production d’énergie .......................................................................................................... 27
Les industries .......................................................................................................................... 28
Les produits polluants (sources, diffusion, effets) ........................................................................ 28
Précurseurs de l'ozone ............................................................................................................. 28
Gaz à effet de serre .................................................................................................................. 29
Autres gaz ............................................................................................................................... 31
Particules................................................................................................................................. 32
Synthèse sur les grandes sources de pollution aérienne ............................................................... 33
Règlementation ........................................................................................................................... 34
Effets (Impacts sanitaires) ........................................................................................................... 34
Sur les êtres vivants ................................................................................................................. 34
Sur les bâtiments ..................................................................................................................... 37
Sur le climat ............................................................................................................................ 42
Statistiques mondiales ................................................................................................................. 42
Pays de l’OCDE....................................................................................................................... 42
République populaire de Chine ............................................................................................... 43
Union européenne ....................................................................................................................... 43
Pollution des villes ................................................................................................................... 44
3
L'atmosphère de la Terre
Informations générales
Épaisseur
800 km[Note 1]
Pression atmosphérique 1,013 bar
Masse
5.1480×1018 kg
Composition
Diazote
78,084 %
Dioxygène
20,946 %
Argon
0,9340 %
Dioxyde de carbone
386 ppmv [Note 2]
Néon
18,18 ppmv
Hélium
5,24 ppmv
Méthane
1,745 ppmv
Krypton
1,14 ppmv
Dihydrogène
0,55 ppmv
Vapeur d'eau
de <1 % à ~4 %
(très variable)
L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse entourant la Terre solide. L'air sec se compose
de 78,08 % d'azote, 20,95 % d'oxygène, 0,93 % d'argon, 0,038 % de dioxyde de carbone et des
4
traces d'autres gaz. L'atmosphère protège la vie sur Terre en absorbant le rayonnement solaire
ultraviolet, en réchauffant la surface, en retenant la chaleur (effet de serre) et en réduisant les
écarts de température entre le jour et la nuit.
Il n'y a pas de frontière définie entre l'atmosphère et l'espace. Elle devient de plus en plus fine et
s'évanouit peu à peu dans l'espace. L'altitude de 120 km marque la limite où les effets
atmosphériques deviennent notables durant la rentrée atmosphérique. La ligne de Kármán, à
100 km, est aussi fréquemment considérée comme la frontière entre l'atmosphère et l'espace.
Description []
La limite entre l'atmosphère terrestre et l'atmosphère solaire n'est pas définie précisément : la
limite externe de l'atmosphère correspond à la distance où les molécules de gaz atmosphérique ne
subissent presque plus l'attraction terrestre et les interactions de son champ magnétique. Ces
conditions se vérifient à une altitude qui varie avec la latitude - environ 60 km au-dessus de
l'équateur, et 30 km au-dessus des pôles. Ces valeurs ne sont toutefois qu'indicatives : le champ
magnétique terrestre, en effet, est continuellement déformé par le vent solaire. L'épaisseur de
l'atmosphère varie donc notablement. En outre, comme l'eau des océans, l'atmosphère subit
l'influence de la rotation du système Terre-Lune et les interférences gravitationnelles de la Lune
et du Soleil. Comme les molécules de gaz, plus légères et moins liées entre elles que les
molécules de l'eau de mer, ont de grandes possibilités de mouvement, les marées atmosphériques
sont des phénomènes beaucoup plus considérables que les marées océaniques.
La plus grande partie de la masse atmosphérique est proche de la surface : l'air se raréfie en
altitude et la pression diminue ; celle-ci peut être mesurée au moyen d'un altimètre ou d'un
baromètre.
L'atmosphère est responsable d'un effet de serre qui réchauffe la surface de la Terre. Sans elle, la
température moyenne sur Terre serait de -18 °C, contre 15 °C actuellement. Cet effet de serre
découle des propriétés des gaz vis-à-vis des ondes électromagnétiques.
Composition chimique détaillée []
Les gaz de l'atmosphère sont continuellement brassés, l'atmosphère n'est pas homogène, tant par
sa composition que par ses caractéristiques physiques.
Au niveau de la mer, l'air est principalement composé de 78,1 % d'azote, 20,9 % d'oxygène,
0,93 % d'argon et de 0,034 % de dioxyde de carbone pour les gaz majeurs. Toutefois, il comporte
aussi des traces d'autres éléments chimiques, les gaz mineurs, dont la proportion varie avec
l'altitude. Les gaz à effet de serre majeurs sont la vapeur d'eau, le méthane, l'oxyde d'azote et
l'ozone. Les concentrations en dioxyde de carbone s'élèvent, en 2007[1], à 0,0382 %, soit
382 ppm alors qu'en 1998, elle était de 345 ppm[2].
D'autres éléments d'origine naturelle sont présents en plus faible quantité, dont la poussière, le
pollen et les spores. Plusieurs polluants industriels sont aussi présents dans l'air, tels que le chlore
5
(élémentaire ou composé), le fluor (composé), le mercure et le soufre (en composé tel que le
SO2).
Composition de l'atmosphère « sèche »[3]
Composants mineurs de l'atmosphère
Gaz
Volume
Gaz
Volume
Monoxyde d'azote
0,5 ppmv
Diazote (N2)
780 840 ppmv (78,084 %) Xénon
0,09 ppmv
Dioxygène (O2) 209 460 ppmv (20,946 %) Ozone
0,0 à 0,07 ppmv
Argon (Ar)
9 340 ppmv (0,9340 %)
Dioxyde d'azote
0,02 ppmv
[4]
Dioxyde de
386 ppmv
Iode
0,01 ppmv
(en février 2009)
carbone (CO2)
Monoxyde de carbone
traces
Néon (Ne)
18,18 ppmv
Ammoniac
traces
Hélium (He)
5,24 ppmv
Méthane (CH4)
1,745 ppmv
Krypton (Kr)
1,14 ppmv
Dihydrogène (H2) 0,55 ppmv
À rajouter à l'atmosphère sèche :
Vapeur d'eau
de <1 % à ~4 %
(H2O)
(très variable)
ppmv: partie par million en volume
Quantité moyenne de vapeur d'eau.
Proportion des gaz atmosphériques.
Structure []
L'atmosphère est divisée en plusieurs couches d'importance variable : leurs limites ont été fixées
selon les discontinuités dans les variations de la température, en fonction de l'altitude. De bas en
haut :


la troposphère : la température décroît avec l'altitude (de la surface du globe à 8-15 km
d'altitude) ; l'épaisseur de cette couche varie entre 13 et 16 km à l'équateur, mais entre 7
et 8 km aux pôles. Elle contient 80 à 90 % de la masse totale de l'air et la quasi-totalité de
la vapeur d'eau[5]. C'est la couche où se produisent les phénomènes météorologiques
(nuages, pluies, etc.) et les mouvements atmosphériques horizontaux et verticaux
(convection thermique, vents) ;
la stratosphère : la température croît avec l'altitude jusqu'à 0 °C (de 8-15 km d'altitude à
50 km d'altitude) ; elle abrite une bonne partie de la couche d'ozone ;
6



la mésosphère : la température décroît avec l'altitude (de 50 km d'altitude à 80 km
d'altitude) jusqu'à -80 °C ;
la thermosphère : la température croît avec l'altitude (de 80 km d'altitude à 350-800 km
d'altitude) ;
l'exosphère : de 350-800 km d'altitude à 50 000 km d'altitude.
Troposphère []
La troposphère, du mot grec τρέπω signifiant « changement », est la partie la plus basse de
l'atmosphère ; elle commence à la surface et s'étend entre 7 et 8 km aux pôles et de 13 à 16 km à
l'équateur, avec des variations dues aux conditions climatiques. Le mélange vertical de la
troposphère est assuré par le réchauffement solaire. Ce réchauffement rend l'air moins dense, ce
qui le fait remonter. Quand l'air monte, la pression au-dessus de lui décroît, par conséquent il
s'étend, s'opposant à la pression de l'air environnant. Or, pour s'étendre, de l'énergie est
nécessaire, donc la température et la masse de l'air décroissent. Comme la température diminue,
la vapeur d'eau dans la masse d'air peut se condenser ou se solidifier, relâchant la chaleur latente
permettant une nouvelle élévation de la masse d'air. Ce processus détermine le gradient maximal
de baisse de la température avec l'altitude, appelé gradient thermique adiabatique. La troposphère
contient grossièrement 80 % de la masse totale de l'atmosphère. 50 % de la masse de
l'atmosphère se trouvent en dessous d'environ 5,5 km d'altitude.
Tropopause []
La tropopause est la frontière entre la troposphère et la stratosphère.
Couche d'ozone []
Article détaillé : Couche d'ozone.
Bien que faisant partie de la stratosphère, la couche d'ozone est considérée comme une couche en
soi parce que sa composition chimique et physique est différente de celle de la stratosphère.
L'ozone (O3) de la stratosphère terrestre est créé par les ultraviolets frappant les molécules de
dioxygène (O2), les séparant en deux atomes distincts (de l'oxygène) ; ce dernier se combine
ensuite avec une molécule de dioxygène (O2) pour former l'ozone (O3). L'O3 est instable (bien
que, dans la stratosphère, sa durée de vie est plus longue) et quand les ultraviolets le frappent, ils
le séparent en O2 et en O. Ce processus continu s'appelle le cycle ozone-oxygène. Il se produit
dans la couche d'ozone, une région comprise entre 10 et 50 km au-dessus de la surface. Près de
90 % de l'ozone de l'atmosphère se trouve dans la stratosphère. Les concentrations d'ozone sont
plus élevées entre 20 et 40 km d'altitude, où elle est de 2 à 8 ppm.
Stratosphère []
La stratosphère s'étend de la tropopause, entre 7–17 km et environ 50 km. La température y
augmente avec l'altitude. La stratosphère contient la majeure partie de la couche d'ozone.
Stratopause []
7
La stratopause est la limite entre la stratosphère et la mésosphère. Elle se situe vers 50-55 km
d'altitude. La pression représente environ 1/1000 de la pression atmosphérique au niveau de la
mer.
Mésosphère []
La mésosphère, du mot grec μέσος signifiant « milieu », s'étend de 50 km à environ 80–85 km.
La température décroît à nouveau avec l'altitude, atteignant −100 °C (173,1 K) dans la haute
mésosphère. C'est aussi dans la mésosphère que la plupart des météorites brûlent en entrant dans
l'atmosphère.
Mésopause []
La température minimale se rencontre à la mésopause, frontière entre la mésosphère et la
thermosphère. C'est le lieu le plus froid de la Terre, avec une température de −100 °C (173,1 K).
Thermosphère []
La thermosphère est la couche atmosphérique commençant vers 80–85 km et allant jusqu'à
640 km d'altitude, la température y augmente avec l'altitude. Bien que la température puisse
atteindre les 1 500 °C, un individu ne la ressentirait pas à cause de la très faible pression. La
station spatiale internationale orbite dans cette couche, entre 320 et 380 km d'altitude. Comme
description moyenne le modele MSIS-86 [6] est recommande par le Committee on Space
Research.
Thermopause []
La thermopause est la limite supérieure de la thermosphère. Elle varie entre 500 et 1 000 km
d'altitude.
Ionosphère []
L'ionosphère, la partie de l'atmosphère ionisée par les radiations solaires, s'étire de 50 à 1 000 km
et chevauche à la fois la thermosphère et l'exosphère. Elle joue un rôle important dans
l'électricité atmosphérique et forme le bord intérieur de la magnétosphère. À cause de ses
particules chargées, elle a une importance pratique car elle influence, par exemple, la
propagation des ondes radio sur la Terre. Elle est responsable des aurores.
Exosphère []
L'exosphère commence avec l'exobase, qui est aussi connu comme le « niveau critique », vers
500–1 000 km et s'étire jusqu'à 10 000 km d'altitude. Elle contient des particules circulant
librement et qui migrent ou proviennent de la magnétosphère ou du vent solaire.
8
L'atmosphère terrestre depuis l'espace.
Pression et épaisseur []
Article détaillé : pression atmosphérique.
La pression atmosphérique moyenne, au niveau de la mer, est de 1 013 hectopascals ; la masse
atmosphérique totale est de 5,1480×1018 kg[7].
La pression atmosphérique est le résultat direct du poids total de l'air se trouvant au-dessus du
point où la pression est mesurée. La pression de l'air varie en fonction du lieu et du temps, car la
quantité et le poids d'air varient suivant les mêmes paramètres. Toutefois, la masse moyenne audessus d'un mètre carré de la surface terrestre peut être calculée à partir de la masse totale de l'air
et la superficie de la Terre. La masse totale de l'air est de 5 148 000 gigatonnes et la superficie de
51 007,2 megahectares. Par conséquent 5148000/51007,2 = 10,093 tonnes par mètre carré. Ceci
est environ 2,5 % inférieur à l'unité standardisée officielle de 1 atm représentant 1 013,25 hPa, ce
qui correspond à la pression moyenne, non pas au niveau de la mer, mais à la base de
l'atmosphère à partir de l'élévation moyenne du sol terrestre.
Si la densité de l'atmosphère restait constante avec l'altitude, l'atmosphère se terminerait
brusquement vers 7,81 km d'altitude. La densité décroît avec l'altitude, ayant déjà diminué de
50 % dès 5,6 km. En comparaison, la plus haute montagne, l'Everest, atteint les 8,8 km d'altitude,
donc l'air est moins de 50 % moins dense à son sommet qu'au niveau de la mer.
Cette chute de pression est presque exponentielle, ainsi la pression diminue de moitié environ
tous les 5,6 km et de 63,2 % (1 − 1 / e = 1 − 0.368 = 0,632) tous les 7,64 km (hauteur échelle
moyenne de l'atmosphère terrestre en dessous de 70 km). Même dans l'exosphère, l'atmosphère
est encore présente, comme on peut le constater par la traînée subie par les satellites.
Les équations de pression par altitude peuvent être utilisées afin d'estimer l'épaisseur de
l'atmosphère. Les données suivantes sont données pour référence [8] :


50 % de la masse de l'atmosphère est en dessous de 5,6 km d'altitude ;
90 % de la masse de l'atmosphère est en dessous de 16 km d'altitude. L'altitude courante
des transports aériens commerciaux est de 10 km et le sommet de l'Everest est à 8 848 m
au-dessus du niveau de la mer. Dans la région supérieure, où les gaz sont raréfiés, se
produisent des aurores et d'autres effets atmosphériques. Le vol le plus élevé de l'avion
X-15 a atteint, en 1963, une altitude de 108,0 km.
9
Densité et masse []
Article détaillé : Masse volumique de l'air.
Température et masse volumique par rapport à l'altitude d'après le modèle d'atmosphère
standardisé NRLMSISE-00.
La densité de l'air au niveau de la mer est d'environ 1,2 kg/m³ (1,2 g/L). Les variations naturelles
de la pression atmosphérique se produisent à chaque altitude et à chaque changement de temps.
Ces variations sont relativement faibles dans les altitudes habitées, mais elles deviennent plus
prononcées dans l'atmosphère supérieure puis dans l'espace à cause des variations des radiations
solaires.
La densité atmosphérique décroît avec l'altitude. Cette variation peut être modélisée par la
formule du nivellement barométrique. Des modèles plus sophistiqués sont utilisés par les
météorologues et les agences spatiales pour prédire le temps et l'abaissement progressif de
l'orbite des satellites.
La masse de l'atmosphère est de 5×1015 tonnes soit 1/1 200 000 la masse de la Terre. D'après le
National Center for Atmospheric Research, la « masse totale de l'atmosphère est de
5,1480×1018 kg avec une variation annuelle due à la vapeur d'eau de 1,2 à 1,5×1015 kg en
fonction de l'utilisation des données sur la pression de surface et la vapeur d'eau. La masse
moyenne de la vapeur d'eau est estimée à 1,27×1016 kg et la masse de l'air sec est de 5,1352
±0,0003×1018 kg. »
Opacité []
Article détaillé : Rayonnement solaire.
Les radiations solaires (ou rayonnement solaire) correspondent à l'énergie que reçoit la Terre du
Soleil. La Terre réémet aussi des radiations vers l'espace, mais sur des longueurs d'onde plus
importantes invisibles à l'œil humain. Suivant les conditions, l'atmosphère peut empêcher les
radiations d'entrer dans l'atmosphère ou d'en sortir. Parmi les exemples les plus importants de ces
effets il y a les nuages et l'effet de serre.
Diffusion des ondes []
10
Les différentes couleurs sont dues à la dispersion de la lumière produite par l'atmosphère.
Articles détaillés : Diffusion des ondes et Couleur du ciel.
Un coucher de soleil vu depuis l'ISS.
Quand la lumière traverse l'atmosphère, les photons interagissent avec elle à travers la diffusion
des ondes. Si la lumière n'interagit pas avec l'atmosphère, c'est la radiation directe et cela
correspond au fait de regarder directement le soleil. Les radiations indirectes concernent la
lumière qui est diffusée dans l'atmosphère. Par exemple, lors d'un jour couvert quand les ombres
ne sont pas visibles il n'y a pas de radiations directes pour la projeter, la lumière a été diffusée.
Un autre exemple, dû à un phénomène appelé la diffusion Rayleigh, les longueurs d'onde les plus
courtes (bleu) se diffusent plus aisément que les longueurs d'onde les plus longues (rouge). C'est
pourquoi le ciel parait bleu car la lumière bleue est diffusée. C'est aussi la raison pour laquelle les
couchers de soleil sont rouges. Parce que le soleil est proche de l'horizon, les rayons solaires
traversent plus d'atmosphère que la normale avant d'atteindre l'œil par conséquent toute la
lumière bleue a été diffusée, ne laissant que le rouge lors du soleil couchant.
Absorption []
Article détaillé : Absorption (optique).
Transmittance (ou opacité) atmosphérique de la Terre à diverses longueurs d'onde et radiation
électromagnétique, y compris lumière visible.
11
L’absorption est une autre propriété importante de l'atmosphère. Différentes molécules absorbent
différentes longueurs d'onde de radiations. Par exemple, l'O2 et l'O3 absorbent presque toutes les
longueurs d'onde inférieures à 300 nanomètres. L'eau (H2O) absorbe la plupart des longueurs
d'onde au-dessus de 700 nm, mais cela dépend de la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère.
Quand une molécule absorbe un photon, cela accroît son énergie.
Quand les spectres d'absorption des gaz de l'atmosphère sont combinés, il reste des « fenêtres »
de faible opacité, autorisant le passage de certaines bandes lumineuses. La fenêtre optique va
d'environ 300 nm (ultraviolet-C) jusqu'aux longueurs d'onde que les humains peuvent voir, la
lumière visible (communément appelé lumière), à environ 400–700 nm et continue jusqu'aux
infrarouges vers environ 1100 nm. Il y a aussi des fenêtres atmosphériques et radios qui
transmettent certaines ondes infrarouges et radio sur des longueurs d'onde plus importantes. Par
exemple, la fenêtre radio s'étend sur des longueurs d'onde allant de un centimètre à environ onze
mètres.
Émission []
Article détaillé : Émission (physique).
L’émission est l'opposé de l'absorption, quand un objet émet des radiations. Les objets tendent à
émettre certaines quantités de longueurs d'onde suivant les courbes d'émission de leur « corps
noir », par conséquent des objets plus chauds tendent à émettre plus de radiations sur des
longueurs d'onde plus courtes. Les objets froids émettent moins de radiations sur des longueurs
d'onde plus longues. Par exemple, le Soleil est approximativement à 6 000 K (5 730 °C), ses pics
de radiation approchent les 500 nm, et sont visibles par l'œil humain. La Terre est
approximativement à 290 K (17°C), par conséquent ses pics de radiations approchent les
10 000 nm, ce qui est trop long pour que l'œil humain les perçoive.
À cause de sa température, l'atmosphère émet des radiations infrarouges. Par exemple, lors des
nuits où le ciel est dégagé la surface de la Terre se rafraichit plus rapidement que les nuits où le
ciel est couvert. Ceci est dû au fait que les nuages (H2O) sont d'importants absorbeurs et
émetteurs de radiations infrarouges.
L’effet de serre est directement lié à l'absorption et à l'émission. Certains composants chimiques
de l'atmosphère absorbent et émettent des radiations infrarouges, mais n'interagissent pas avec la
lumière visible. Des exemples communs de ces composants sont le CO2 et l'H2O. S'il y a trop de
ces gaz à effet de serre, la lumière du soleil chauffe la surface de la Terre, mais les gaz bloquent
les radiations infrarouges lors de leur renvoi vers l'espace. Ce déséquilibre fait que la Terre se
réchauffe, entrainant ainsi des changements climatiques.
Circulation []
Article détaillé : Circulation atmosphérique.
La circulation atmosphérique est le mouvement à grande échelle de l'air, et est le moyen
(combiné aux courants marins) qui permet de redistribuer la chaleur sur la surface de la Terre.
12
La structure de la circulation atmosphérique varie d'année en année, mais la structure de base
reste assez constante.
Cellules de circulation simplifiées.
Phénomènes optiques []
La composition de l'atmosphère terrestre la rend relativement transparente aux rayonnements
électromagnétiques dans le domaine du spectre visible. Elle est cependant relativement opaque
aux rayonnements infrarouges émis par le sol, ce qui est à l'origine de l'effet de serre. Il s'y
produit aussi différents phénomènes optiques causés par des variations continues ou non de
l'indice de réfraction du milieu de propagation des ondes électromagnétiques.
Parmi ces phénomènes, les plus notables sont les arcs en ciel et les mirages.
La couleur du ciel diurne, quant à elle, est due à la variation de la diffusion du rayonnement
solaire en fonction de la longueur d'onde. Des couleurs inhabituelles s'observent cependant lors
des aurores polaires (aurores boréales ou australes), qui résultent de l'interaction entre les
particules du vent solaire et la haute atmosphère.
Pluie acide
13
Une forêt dévastée par les pluies acides, République tchèque
L'expression « pluie acide » a été pour la première fois utilisée par Robert Angus Smith en
1870[1]. Elle décrit depuis toutes les formes de précipitations (pluies, smogs, aérosols, etc.) qui
dégradent voire détruisent des écosystèmes et/ou corrodent ou dissolvent certains bâtiments
anciens et fragiles.
L'acidité de ces retombées a deux origines principales :


des sources naturelles ou semi-naturelles ; proximité d'émissions volcaniques soufrées,
NOx produits par la foudre, gaz issus de certaines formes de décomposition biologique
terrestres, ou émis par les océans, feux de forêts…
des sources anthropiques, dont l'industrie, les centrales thermiques, le chauffage et les
transports…
Les pluies acides résultent essentiellement de la pollution de l’air par les oxydes de soufre
(SO2) produits par l’usage de combustibles fossiles riches en soufre, ainsi que des oxydes
d’azote (NOx) qui se forment lors de toute combustion de l’atmosphère, produisant de
l'acide nitrique.
En ce qui concerne l’action humaine sur l'environnement, les usines, le chauffage et la
circulation automobile sont les principales sources. L'acide chlorhydrique issu de
l'incinération de certains déchets plastiques, et l'ammoniac généré par les activités
agricoles contribuent également aux pluies acides.[2]
D’autres produits, tels que par exemple le dioxyde de carbone (CO2) qui produit de l'acide
carbonique lorsqu'il se dissout dans l'eau, et les acides fluorhydriques sont en cause, mais
moindrement.
L'acidification de l'air a des conséquences désormais médiatisées sur la forêt, mais elle affecte
aussi la santé humaine, les bâtiments et peut-être de nombreuses espèces animales, fongiques,
lichéniques et végétales. Des conséquences secondaires à l'acidification des pluies, sont
14
l'acidification de certaines eaux de surface (lacs d'Europe du Nord par exemple) et l'acidification
des océans.
Mécanismes de formation []
Les pluies acides se forment par la combustion de non-métaux dans l'air. Lorsque les non-métaux
brûlent, des gaz se dégagent. Ces gaz (principalement du dioxyde de soufre et des oxydes
d'azote) réagissent ensuite avec les gouttelettes d'eau qui constituent les nuages pour former les
pluies acides.
Une petite partie de ces gaz sont libérés depuis toujours dans l'atmosphère par les volcans et
l'activité des bactéries du sol. Cependant, l'utilisation massive des combustibles fossiles par
l'homme a considérablement amplifié le phénomène. Les pluies acides sont donc liées à la
pollution atmosphérique.
Pluies basiques []
Il ne peut pas y avoir de pluies basiques. En effet, quand les métaux brûlent dans l’atmosphère, le
produit de cette combustion est solide et retombe plus rapidement au sol. Il est alors impossible
que ce produit réagisse avec l’eau contenue dans les nuages étant donné que ce dernier reste au
sol.
Répartition géographique []
Les pays industriels ont été les premiers touchés ; les principales zones de production de
polluants ont d'abord été les bassins miniers et industriels de l'hémisphère nord, dont la Ruhr, la
Lombardie, les anciens pays miniers français et anglais et ceux de Chine et des États-Unis.
Portés par les vents dominants, les acides circulent dans l'atmosphère avec les masses d'air. Ainsi
une bonne partie des pluies acides de Scandinavie résultent des polluants accumulés par les
masses d'air venant de la mer et ayant survolé l'Angleterre, la France et l'Allemagne. En Europe,
en 1995, les charges critiques pour l'acidification étaient dépassées sur 75 millions d'hectares de
sols forestiers d'Europe, et l'acidification des sols a localement contribué à exacerber l'érosion
des sols touchant à cette époque environ 115 millions d'hectares, et entraînant une chute de la
fertilité agricole et naturelle [3]
Avec les délocalisations industrielles et l'accroissement de l'utilisation de pétrole et charbon en
Asie, les pics sont apparus en Asie du Sud-Est et surtout en Chine où les régions du sud-est sont
très touchées par les pluies acides ; les émissions d’oxydes d’azote et de dioxyde de soufre
étaient vers 2005/2007 devenues 8 à 9 fois plus élevées en Chine que dans les pays développés[4].
Les pluies acides touchent également le Japon[5]. La Chine est devenue le premier émetteur
d'oxyde d'azote et de dioxyde de soufre du monde, ainsi que de CO2, mais en grande partie pour
produire des biens consommés dans d'autres pays.
Conséquences des pluies acides []
15
L'acidité des lacs empêche le développement normal des espèces et des végétaux qu'ils abritent.
La flore est affaiblie, résiste moins bien aux maladies et aux hivers rigoureux. Les sols acidifiés
empoisonnent les arbres, les affaiblissent et peuvent les tuer dans les cas graves. La base de la
chaîne alimentaire est également touchée, ainsi que tous les animaux qui en dépendent. Les
oiseaux et mammifères aquatiques sont en particulier touchés. Des traitements par épandage de
produits calcaires sont faits pour éviter la stérilisation de grands lacs d'Europe du Nord.
Conséquences sur la flore []
Les arbres ne sont pas directement détruits, mais les éléments nutritifs contenus dans le sol sont
dissouts et emportés par les pluies. Les pluies acides tuent aussi les micro-organismes, ce qui
laisse un sol sale, sans nouveaux éléments nutritifs produits. Les feuilles sont endommagées
(tache noire ou marron), et ne peuvent plus pratiquer la photosynthèse. La défoliation prive
l'arbre de sucre. Certaines substances chimiques peuvent aussi être lentement libérées dans le sol
et empoisonner les arbres. Leurs racines, essayant de survivre dans un sol rongé, peuvent aussi
être directement attaquées par l'acide. Tout cela conduit à une diminution de la résistance de la
flore, et donc à une augmentation de la mortalité lors d’épidémie, de conditions climatiques
difficiles, etc.
Les feuilles résistantes des résineux sont brûlées dans les zones les plus polluées. Les forêts
montagneuses, baignant dans le brouillard et les nuages, reçoivent encore plus d'acide que les
forêts de plaine, ces formes de pollutions étant d'ailleurs assez souvent plus acides que les dépôts
secs.
Impacts sur les bâtiments []
L’acidité des pluies peut accélérer l'érosion naturelle de nombreux matériaux, notamment
calcaires, ainsi que la corrosion de certains métaux (le plomb qui tient les vitraux). Les pierres
calcaires tendres, certains marbres et tuffeaux y sont les plus sensibles. Cela a d’abord été
remarqué en Europe sur de nombreuses cathédrales dont la pierre s’est rapidement dégradée de la
fin du XIXe siècle aux années 1990, par exemple en Angleterre pour les cathédrales telles que
York Minster et l'Abbaye de Westminster. De nombreux autres bâtiments et éléments construits
du patrimoine mondial ont été attaqués ces dernières années par l’acidité de l’air, dont par
exemple le Taj Mahal en Inde et le Colisée à Rome, surtout dans les régions industrielles.
Effets sur la faune []
Les effets sur la faune sont plausibles et probables, mais mal cernés faute d’études. Certains lacs
scandinaves étaient dans les années 1980-1990 devenus si acides que les poissons et crustacés y
disparaissaient . Certains ont fait l’objet de déversement de chaux pour tamponner leur pH. Les
effets peuvent être directs par attaque de la peau, des cuticules, muqueuses et organes
respiratoires par les polluants acides de l’air, ou par contact externe ou interne avec l’eau
polluée. (Comme on le voit dans le film microcosmos, de nombreux insectes boivent les gouttes
de rosées). Des effets indirects, différés et en cascade sur les écosystèmes et le réseau trophique
existent, évidents par exemple quand des populations entières d’arbres meurent.
16
Les chlorures, fluorures et métaux lourds peuvent mieux circuler et s’accumuler dans le sol
acidifié à des niveaux qui sont toxiques pour les invertébrés qui vivent dans la terre. Les espèces
sensibles aux métaux sont substituées par ceux qui sont plus tolérants. Ainsi, les espèces aux
corps mous tels que les vers de terre et les nématodes semblent être affectés plus facilement par
les concentrations élevées en métaux (sauf les enchytraéidés qui y résistent mieux).
Par ailleurs, les invertébrés jouent un rôle important dans la décomposition des détritus sur le sol
des forêts. Or, pendant que les détritus s'y accumulent, la libération des éléments minéraux est
retardée et la biodisponibilité des éléments nutritifs aux plantes est réduite. Les herbivores sont
finalement affectés quand la quantité ou la qualité de leur approvisionnement alimentaire
diminue.
En outre, bien que les oiseaux et les mammifères ne soient pas directement affectés par
l'acidification de l'eau, ils y sont indirectement par des changements dans la qualité et la quantité
de leurs ressources en nourriture. En Écosse, par exemple, les loutres sont plutôt rares autour des
ruisseaux et des rivières acides parce que leurs approvisionnements principaux, les poissons, sont
réduits.
De plus, le calcium est un élément essentiel pour les mammifères et les oiseaux et un
approvisionnement diététique adéquat leur est crucial pendant la reproduction (les oiseaux ont
besoin de calcium pour la bonne formation des coquilles d’œufs et pour la croissance
squelettique de leurs progénitures. Les mammifères femelles en ont besoin pour le
développement squelettique de leurs fœtus. Enfin, beaucoup d'espèces invertébrées, dont par
exemple mollusques et les crustacés ont des besoins en calcium qui ne peuvent plus être satisfaits
au delà d'un certain seuil de pH. Elles sont parmi les premières à disparaître en cas d'acidification
des terres marécageuses ou d'eaux douces ou marines.
Réactions, évolutions législatives []
Les pluies acides sont une « pollution interglobale » et constituent pour cette raison un problème
international.
En 1988, un traité ( Convention sur la pollution atmosphérique transfrontalière à longue portée ;
Convention on Long-Range Transboundary Pollution) a engagé les signataires à limiter les
émissions d'oxydes d'azote à leur niveau de 1987.
En Europe, la Commission économique se préoccupe de la question, avec des normes
européennes et nationales qui ont permis une forte diminution de la pollution acide de l’air des
années 1980 aux années 2000. Mais alors que les émissions terrestres diminuaient fortement, les
émissions du transport maritime augmentaient tant, qu'à ce rythme en 2015, les seules émissions
des navires croisant au large de l'UE 25 émettront plus de SO2 que toutes les sources terrestres de
l'UE-25[6].
Diverses législations cherchent à limiter le niveau de polluants libérés pour l'adapter à la charge
critique (niveau maximal de polluants pouvant être tolérés) du milieu, voire moins. Pour cela, la
composition de certains carburants a été modifiée, et certains moteurs ont été adaptés. Des filtres
ou des purificateurs d'air sont installés sur les cheminées d'usines polluantes. Le pot catalytique
17
est obligatoire dans un nombre croissant de pays, avec des résultats encore discutés pour certains
paramètres.
Couche d'ozone
Les différentes couches de l'atmosphère terrestre.
Filtration des UV par la stratosphère.
18
Concentration d'ozone au-dessus de l'hémisphère sud.
La couche d'ozone ou ozonosphère désigne la partie de la stratosphère contenant une quantité
relativement importante d'ozone (concentration de l'ordre d'un pour cent mille). Son existence est
démontrée en 1913 par Henri Buisson et Charles Fabry grâce à son interféromètre optique. Cet
ozone est produit par l'action du rayonnement solaire sur les molécules de dioxygène à haute
altitude (entre 20 et 50 km d'altitude).
À cette haute altitude, la couche d'ozone a pour effet d'absorber la plus grande partie du
rayonnement solaire ultraviolet, qui se trouve être dangereux pour les organismes vivants.
On distingue :

le « bon ozone » présent dans la couche stratosphérique (objet de cet article), bon car il nous
protège des rayons UV-C (ultraviolet) ;

le « mauvais ozone » présent dès la couche basse de l'atmosphère (troposphère : du sol jusqu'à
environ 20 km d'altitude), « mauvais » car c'est celui que nous respirons et qui présente selon sa
concentration une certaine toxicité (voir Normes de qualité de l'air).
En l'absence de cette couche d'ozone, la vie n'aurait été possible que dans les océans[réf. nécessaire], à
une profondeur suffisante de la surface des eaux (les UV ne pénétrant qu'en surface). Ce fut le
cas au cours de l'éon Archéen, lorsque l'atmosphère de la Terre était dépourvue de dioxygène (et
donc d'ozone).
À la fin des années 1970, des recherches scientifiques en Antarctique ont mis en évidence une
diminution périodique de l'ozone dans cette région polaire. Ce que l'on a appelé le « trou de la
19
couche d'ozone ». Il se forme au printemps dans l'Antarctique (à la fin de la nuit polaire) et
s'agrandit pendant plusieurs mois avant de se réduire.
L'ozone stratosphérique []
Cet ozone stratosphérique qui s'étend entre 20 et 50 km d'altitude, est en réalité très dilué dans
l'atmosphère locale. De l'ordre de quelques ppm à quelques dizaines de ppm dans la couche
d'ozone elle-même, qui est un mélange gazeux à faible pression.
En fait, si cet ozone était regroupé, concentré à l'état pur, il aurait dans les conditions normales
de température et de pression (c'est-à-dire les conditions moyennes à la surface de la Terre) une
épaisseur de seulement 3 mm, soit 300 unités Dobson (DU)[1]. On remarquera que c'est cette
couche d'ozone si ténue qui protège la vie des rayons ultraviolets.
Processus de formation []
Lancement d'un ballon sonde pour des mesures dans la couche d'ozone.
L'ozone est produit à partir du dioxygène, composé de deux atomes d'oxygène.
Aux altitudes supérieures à 30 km, le rayonnement solaire possède encore une énergie suffisante
pour casser une partie des molécules de dioxygène et libérer les atomes. Un atome d'oxygène
tendant à ne pas rester seul pour des raisons de stabilité, doit se recombiner à un autre élément ; il
interagit donc avec une autre molécule de dioxygène (O2) présente pour former une nouvelle
molécule, composée de trois atomes d'oxygène : l'ozone (O3).
O2 + rayonnement solaire → O + O et O + O2 → O3
Cette réaction chimique est la seule qui, dans la stratosphère, produise de l'ozone.
Mais puisque tout l'oxygène n'est pas transformé en ozone dans ce processus, il existe donc un
facteur limitant sa concentration. Primitivement, une certaine quantité d'ozone est apparue, il y a
plus de 2 milliards d'années, lorsque l'oxygène est devenu permanent avec une concentration de
l'ordre du pourcent. La concentration observée aujourd'hui résulte d'un équilibre entre la
20
production d'ozone par le rayonnement solaire, et certains processus de destruction : tout l'ozone
produit en « trop plein du réservoir » est détruit. C'est ce que l'on appelle un équilibre
dynamique.
D'autres études, menées à l'aide de ballons évoluant à haute altitude et de satellites
météorologiques, ont révélé que la proportion d'ozone au-dessus de l'Antarctique est en baisse.
Des vols au-dessus de l'Arctique ont mis en évidence des problèmes similaires dans cette région.
Un équilibre dynamique []
Le jour, à haute altitude, le rayonnement solaire peut dissocier la molécule d'ozone en une
molécule de dioxygène et un atome d'oxygène :
O3 + rayonnement → O2 + O
Durant la nuit et en particulier la nuit polaire, cette réaction n'existe pas puisqu'il n'y a plus de
rayonnement solaire. Une autre réaction devient alors prépondérante : la recombinaison d'un
atome d'oxygène et d'une molécule d'ozone pour donner deux molécules de dioxygène :
O3 + O → 2 O 2
Mais l'ensemble de ces deux réactions ne peut rendre compte que de 20 % de la destruction
naturelle de l'ozone, alors que pour parvenir à un équilibre il faut que la perte soit égale à la
production. Ce problème met en évidence la fragilité de l'équilibre de l'ozone. En effet, si les
deux réactions ci-dessus avaient pu suffire à compenser la surproduction d'ozone, l'équilibre de
ce dernier ne dépendrait que de la quantité de dioxygène présent dans la haute atmosphère, et cet
équilibre aurait été difficilement perturbable, mais les composés chlorés perturbent cet équilibre.
Les composés bromés, et les oxydes d'azotes (NOx) contribuent également à cette destruction.
L'action des composés chlorés []
Parvenues dans la stratosphère, les molécules de composés chlorés sont décomposées par le
rayonnement solaire, les produits de cette décomposition détruisant les molécules d'ozone par le
jeu de réactions catalytiques[2].
Les sources naturelles de chlore []
La seule source naturelle de chlore est le chlorure de méthyle, principalement produit dans les
océans par les micro-organismes, les algues[réf. nécessaire]. La concentration ne dépasse pas 0,6
milliardième : c'est à cela que se limite le fond naturel de chlore dans l'atmosphère.
Les chlorofluorocarbures []
Inventés dans les années 1930, les chlorofluorocarbures ont connu un développement important à
partir des années 1950 à cause de leurs propriétés remarquables (ininflammables, facilement
compressibles, non solubles) et, comme ils n'ont qu'une faible réactivité chimique, on les croyait
21
peu toxiques pour l'environnement. Utilisés principalement dans l'industrie du froid, dans les
bombes aérosols comme propulseur, en solvants pour l'industrie électronique, dans les mousses
synthétiques et les agents extincteurs ; ils sont essentiellement dus à l'activité humaine.
La production des CFC est très importante. Pour les deux principaux, le trichlorofluorométhane
(CFC 11) et le dichlorofluorométhane (R 21), la production est passée de 50 000 à 100 000 t au
début des années 1960 jusqu'à 500 000 t en 1999. Cela représente une croissance de 5 à 6 % par
an, soit pratiquement un doublement de la quantité tous les dix ans.
Diffusion dans la basse atmosphère []
Les vents brassent l'atmosphère en permanence :


Horizontalement, avec un temps moyen de transport d'un pôle à l'autre de l'ordre de 2 ou 3 ans.
Verticalement, avec une homogénéisation de l'atmosphère jusqu'à 80 km d'altitude.
En 2 à 3 ans, les CFC se retrouvent donc dans l'atmosphère sous toutes les latitudes, aussi bien à
l'équateur qu'aux pôles. Puis, en 15 ans, ils montent dans la haute atmosphère.
Accumulation dans la stratosphère []
À cela s'ajoute un autre effet, les CFC présents dans la stratosphère en 1997 sont ceux qui ont été
produits entre 1977 et 1982, ce qui ne représente que 40 % de ce qui a été produit jusqu'à ce jour.
Les 60 % restants sont encore en train de se mélanger et de monter. Du fait de ce retard, les effets
des CFC produits ces dernières années se feront encore sentir dans 60 ans.
Bilan []
Ainsi, la quantité de chlore naturellement présente dans la stratosphère est d'environ 0,6
milliardième, alors qu'aujourd'hui la proportion totale de chlore atteint 3,5 milliardièmes. Elle a
été multipliée par 5 en 20 ans, ce qui a entrainé une rupture de l'équilibre dynamique.
En hiver, la destruction d'ozone est nulle. Au printemps, elle est très importante car il y a déjà
des UV, beaucoup de cristaux de glace dans la stratosphère et parce que la circulation
atmosphérique, le vortex polaire autour de l'Antarctique, empêche le remplacement de l'ozone
détruit.
Dès la fin du printemps, l'amincissement est moins important parce que la quantité de cristaux de
glace diminue, et aussi parce que la circulation atmosphérique change : il y a alors un mélange
entre l'air antarctique et l'air venu du nord qui apporte de l'ozone.
Données sur la couche d'ozone []
Perte continue d'ozone en Antarctique []
22
Carte du trou d'ozone au-dessus de l'antarctique en octobre 1987.
La couche d'ozone est aujourd'hui observée par un réseau de stations au sol et au moyen de
satellites artificiels construits, entre autres, par la NASA.
C'est en 1985 que l'alerte a été donnée avec la découverte d'une diminution importante de la
concentration d'ozone au cours des mois de septembre et d'octobre au-dessus du continent
Antarctique. Une réduction de près de 50 % du contenu total d'ozone était observée, se
produisant au cours du printemps austral et couvrant toute la surface de l'Antarctique.
Depuis la fin des années 1970, l'épaisseur de l'ozone est passée, en certains endroits, de
l'équivalent de 3 mm à 2 et même 1,5 mm aujourd'hui, en moyenne pour le mois d'octobre.
C'est cette diminution relative de l'épaisseur de la couche d'ozone stratosphérique (par rapport à
son épaisseur standard ou initiale de 300 DU), que l'on nomme « trou d'ozone » ou « trou dans la
couche d'ozone ».
En 2000, 2001 et 2003, le trou dans la couche d'ozone a atteint une superficie jamais observée
avant 2000, alors que celui de 2002 était le plus petit qui ait été observé depuis 1998. En effet, à
la fin de l'été 2003, le trou a de nouveau atteint un record de superficie… pour diminuer
rapidement durant le mois d'octobre. En 2006, un nouveau record a été enregistré au-dessus de
l'Antarctique.
En 2006, l'ONU et les experts alertent sur le fait que la couche d'ozone se reconstitue moins vite
que prévu, en raison probablement de l'utilisation persistante de gaz interdits, de type CFC, mais
peut-être aussi à cause de l'effet de serre et des trainées de condensation laissées par les
avions[réf. nécessaire]. Ces dernières, avec d'autres émetteurs de gaz à effet de serre, contribuent en
réchauffant les basses couches de l'atmosphère à priver les hautes couches d'une partie des
calories provenant du rayonnement du sol. Ces hautes couches se refroidissent, or le froid
intensifie les réactions chimiques de destruction de l'ozone[réf. nécessaire].
23
Le trou dans la couche d'ozone a atteint une superficie record fin septembre 2006 et une
épaisseur minimale record début octobre, aux alentours de 0,8 DU.[réf. nécessaire] À cette époque, à
Ushuaïa, petite ville du sud de l'Argentine (non loin de l'Antarctique), les habitants ont été
contraints de ne pas sortir découverts, car ils risquaient des irradiations.[réf. nécessaire]
Perte d'ozone en Arctique []
Dans l'océan Arctique, l'ampleur du phénomène n'atteint pas encore celle qui est observée dans
l'hémisphère Sud.
Le fait que la perte d'ozone, si importante en Antarctique, soit moindre au-dessus de l'Arctique
découle des différences climatiques entre ces deux régions. Le refroidissement de la stratosphère
polaire est en effet moins intense au nord où, en moyenne, les températures sont de 15 à 20 °C
supérieures à celles observées au pôle Sud.
Cette différence de comportement entre les deux pôles est directement liée à la géographie : le
continent antarctique est isolé au milieu des océans dans l'hémisphère Sud. Dans l'hémisphère
Nord, au contraire, une alternance de continents et d'océans, de zones de hautes et de basses
pressions atmosphériques contribue à créer un mouvement continu des masses d'air tel que le
pôle Nord ne reste jamais totalement isolé. L'air des latitudes moyennes, plus chaud, arrive donc
toujours au pôle, y augmentant ainsi les températures moyennes.
En exploitant des données fournies par un satellite de la NASA chargé de la recherche de la
haute atmosphère, les chercheurs ont remarqué que les nuages stratosphériques de l'Antarctique
ont une durée de vie deux fois plus longue que ceux situés au-dessus de l'Arctique.
Le satellite MetOp-A a observé le trou d'ozone en 2007
L'action des ultraviolets sur les organismes vivants []
Les ultraviolets sont des agents mutagènes : ils détériorent l'ADN des cellules, ce qui dérègle
leurs activités biologiques (ex: cancer) ou les détruit (coup de soleil). Le 9 octobre 2003, au sud
du Chili, la couche d'ozone qui avait perdu 50 % de son épaisseur habituelle, offrait si peu de
protection contre les ultraviolets que ce jour-là, il suffisait de passer cinq minutes dehors sans
protection pour attraper un coup de soleil[réf. nécessaire]. Le sud du Chili n'est pas la seule zone
atteinte, d'autres régions de l'Australie et de la Nouvelle-Zélande ont également connu des
épisodes semblables. De plus, les rayons ultraviolets perturbent les divisions cellulaires des
micro-organismes aquatiques, ce qui a de graves conséquences sur la vie aux pôles[3]. En plus
des cancers de la peau, on observe aussi un affaiblissement général du système immunitaire.
L'action planétaire pour la préservation de la couche
d'ozone []
Mesures prises []
24

Le protocole de Montréal, signé en septembre 1987 puis révisé à Londres, Copenhague,
Montréal et Pékin jusqu'en 1999, a préconisé une diminution des émissions de 50 % en dix ans.
Sa ratification universelle (196 pays) a été atteinte en 2009, ce qui constitue un évènement
puisqu'il est le premier traité environnemental international à atteindre ce statut.

L'Union européenne a proposé en 1989 une interdiction totale de l'utilisation des CFC durant les
années 1990, qui fut approuvée par les États-Unis. L'Union Européenne s'est ensuite dotée
d'outils juridiques, dont le récent règlement européen (1005/2009) visant à transposer le
Protocole de Montréal en droit européen, tout en fixant des objectifs plus ambitieux de
réduction ou d'interdiction de certains gaz détruisant la couche d'ozone.
L'avenir []
Les délégués de 190 pays réunis à Montréal le 12 septembre 2007 ont pu saluer, 20 ans après la
signature du protocole, la réussite du projet qui se concrétise par un arrêt total de la production
des chlorofluorocarbures prévu en 2010 et une estimation optimiste de la communauté
scientifique : la couche d'ozone retrouvera normalement son état de 1980 entre 2055 et 2065. Il
était prévu d'éliminer les hydrochlorofluorocarbures, les principaux substituts des
chlorofluorocarbures, d'ici à 2020 pour les pays industrialisés et 2040 pour les pays en voie de
développement. Des chercheurs ont établi récemment que l'élimination précoce (10 ans plus tôt,
soit en 2030) des hydrochlorofluorocarbures réduirait l'effet de serre dans une proportion
supérieure à ce que doit permettre le Protocole de Kyoto sur le changement climatique. Un
accord a été conclu, lors de cette 19e réunion des parties qui permet une accélération de la sortie
de l'utilisation des hydrochlorofluorocarbures. En vertu de cette entente, la production de ces
substances sera gelée en 2013 à son niveau moyen de 2009-2010. Les pays industrialisés
arrêteront la production et la consommation en 2020, réduisant celles-ci à 75 % en 2010 et 90 %
en 2015 (0,5 % sont autorisés pour la maintenance). Les pays en développement réduiront de
10 % en 2015, 35 % en 2020, 67,5 % en 2025, gardant 2,5 % en moyenne sur les cinq dernières
années pour la maintenance. Le succès du Protocole de Montréal montre que la communauté
internationale est capable de résoudre des problèmes environnementaux.
Pollution de l'air
Pollution de l'ère industrielle
La pollution de l'air (ou pollution atmosphérique) est un type de pollution défini par une
altération de la pureté de l'air, par une ou plusieurs substances ou particules présentes à des
concentrations et durant des temps suffisants pour créer un effet toxique ou écotoxique.
25
On compte aujourd'hui des dizaines de milliers de molécules différentes, polluants avérés ou
suspectés qui, pour beaucoup, agissent en synergie entre eux et avec d'autres paramètres (UV
solaire, ozone, hygrométrie, acides, etc.). Les effets de ces synergies sont encore mal connus. Les
seuils de pollution sont mis en évidence par des indicateurs comme l'ozone qui n'est pas classé
comme polluant mais comme gaz irritant, puisque étant un élément majeur de la dépollution de
l'air. Cette pollution atmosphérique ou intérieure est un enjeu de santé public, au niveau mondial
comme individuel[1].
Cette pollution peut être :





brève ou chronique,
visible (fumée) ou invisible (pesticides dans l'air)
émise massivement ou en faible dose
émise en quantité dispersée (exemple : pollution émise par les centaine de millions de
pots d'échappement)
locale et émise par une source fixe (ex : cheminée, usine...), ou émise par des sources
mobiles (voitures, épandeurs de pesticides, transport maritime ou aérien[2], etc.),
l'ensemble de ces sources contribuant à une pollution globale intérieure ou extérieure
(ex : Augmentation de l'effet de serre due au CO2 ou Composés organiques volatils dans
l'espace domestique) ;
Histoire
C'est avec la révolution industrielle que la pollution de l'air est devenue la plus visible et
manifeste.
Pollution : le smog à New York (1988)
26
Pollution atmosphérique au-dessus de Paris.
La pollution de l'air a quelques sources anciennes. On sait aujourd'hui que l'air intérieur de
nombreuses habitations traditionnelles, enfumé par des foyers mal conçus, nuisait et nuit encore
à la santé.
Un problème délicat est de savoir quand et de quelles façons les gens du moyen âge ont pris
conscience du danger car ils sont incapables de saisir l'origine microbienne des maladies qui les
menacent. Ils craignaient par dessus tout que ce soit l'air et l'eau qui soient "corrompus" parce
qu'ils les estiment comme la source de leurs malheurs.
Les poussières, fumées et vapeurs émises par les mines de plomb, de cuivre et de mercure de la
Rome antique ou par leurs installations de raffinage et de fonderie ont laissé des traces jusque
dans la glace du pôle nord, via le déplacement des masses d'air polluées.
Mais c'est au XIXe siècle qu'une pollution importante et chronique a recouvert les villes de la
révolution industrielle, celle ci étant du à l'utilisation importante de charbon.
Principales sources de la pollution
La pollution atmosphérique résulte principalement des gaz et particules rejetées dans l’air par les
véhicules à moteur, les installations de chauffage, les centrales thermiques et les installations
industrielles : dioxydes de carbone, de soufre et d’azote, poussières, particules radioactives,
produits chimiques (dont certains engrais et pesticides), etc.
On distingue deux types de sources ;


anthropiques ex : émissions des poêles et chaudières, moteurs, usines, etc. et
naturelles ex : volcanisme, érosion éolienne, émissions naturelles de méthane
Cette distinction est parfois difficile à établir ; la dégradation anthropique des sols (ex :
réchauffement des pergélisol) peut favoriser des émissions de méthane qu'on jugera ou non
naturel, de même qu'une aridification anthropique induite par le drainage, le surpâturage, la
salinisation et dégradation des sols favorise des envols de poussière qu'il est difficile de
différencier des envols naturels à partir des déserts supposés naturels ou originels.
Les véhicules à moteur
De plus en plus nombreux, ils rejettent des gaz polluants : gaz carbonique (non toxique mais
cause essentielle de l'effet de serre, en théorie), monoxyde de carbone, oxydes d'azote… jusque
dans la haute atmosphère avec les avions et fusées. La plupart des moteurs font appel aux
énergies fossiles (pétrole, houille, gaz naturel), à l'origine d'une pollution chronique depuis le
début du XXe siècle. Près de 25 % des gaz à effet de serre sortent des pots d'échappement.
La production d’énergie
27
Les besoins en énergie augmentent et leur satisfaction entraîne une pollution croissante sur la
planète, notamment en Chine qui en 2006 est devenu[3] le pays le plus émetteur de CO2 avec la
délocalisation d'une grande partie de la production des pays riches (La chine utilise à 69 % le
charbon pour sa production énergétique, ce qui est un taux 42 fois plus élevé que la moyenne
mondiale). Depuis 2006 notamment, la Chine est devenue le premier pays émetteur de CO2
devant les États-Unis en totalisant presque 20% des émissions globales. En 2007, une centrale au
charbon y serait mise en route tous les 3 jours, chacune développant la puissance d'un réacteur
nucléaire.
Les industries
La fabrication de la plupart des articles domestiques dans le monde entraîne la libération de
substances chimiques toxiques, dans l’atmosphère. C’est le cas, notamment pour la fabrication
d’objets en matières plastiques. Selon les cas et les pays, les entreprises sont contrôlées et/ou
doivent produire des autocontrôles ou évaluation de leurs émissions polluantes. En Europe,
certaines données sont obligatoirement publiques (Convention d'Aarhus) et transmises à un
registre européen des rejets et des transferts de polluants (remplaçant l'ancien registre européen
des émissions de polluants (EPER), traduit en France par l'Arrêté du 31 janvier 2008 et un
registre national ; le sol, l'eau et l'air doivent être pris en compte, pour les entreprises produisant
des produits dangereux produits à plus 2 t/an, et de déchets non dangereux à plus de 2 000 t/an.
Le 13 mars 2008, une circulaire a ajouté 22 polluants de l’air et 22 de l’eau à l'ancienne liste des
substances.
Les produits polluants (sources, diffusion, effets)
En particulier, dans le cas de la pollution aérienne, la diffusion des polluants joue un rôle
important dans les effets constatés : dans certains cas, une pollution importante mais d'origine
ponctuelle va se diffuser sur une zone géographique importante et avoir un impact faible, dans
d'autres cas, une pollution diffuse (par exemple issue des transports) va être concentrée par les
vents et le relief et ainsi avoir un impact notable sur les populations.
Précurseurs de l'ozone
L'ozone est dit polluant secondaire ; il n'est pas émis directement dans l'air mais résulte d'une
réaction photochimique impliquant des précurseurs, des polluants issus de l'automobile,
essentiellement les oxydes d'azote. Il est une des causes du smog. L'ozone se développe plus
intensément en période de temps chaud et ensoleillé : les concentrations en ozone sont ainsi plus
élevées durant la période estivale. À noter que l'on parle ici de l'ozone troposphérique, c'est-àdire de l'ozone des basses couches de l'atmosphère, qui est un polluant majeur et provoque
notamment des problèmes respiratoires. Au contraire, l'ozone dans la haute atmosphère, formé
par des mécanismes différents, donne naissance à la couche d'ozone qui protège des
rayonnements ultraviolets.
Oxydes d'azote[4]

Les oxydes d'azote (notés d'une façon générale par le sigle NOx) regroupent :
28
o
o

le monoxyde d'azote (NO),
le dioxyde d'azote (NO2)
Sources :
Les NOx sont essentiellement produits par l'Homme. Toutes les combustions à haute température
et à haute pression : moteurs des automobiles, en particulier les moteurs diesel qui, du fait de leur
fonctionnement à plus haute pression, émettent 2 à 3 fois plus de NOx que les moteurs à essence.
La pollution NOx des voitures est règlementé par les normes européennes[5]. Un avion qui
décolle produit en moyenne 14 kg d'oxyde d'azote, l'équivalent de 2 000 voitures diesel qui font
25 km (norme euro 2004).

Effets sur la santé :
Lors de pics de pollution, les NOx occasionnent des troubles respiratoires, inflammation et
obstruction des voies aériennes et augmentation de la sensibilité aux attaques microbiennes[6].
Les personnes particulièrement à risque sont les fumeurs, patients atteint de troubles respiratoires
(dont asthme, allergie) personnes fragiles, âgées et atteintes de problèmes cardiovasculaires
notamment.
Composés organiques volatils
Les composés organiques volatils (COV) sont des hydrocarbures qui peuvent être émis par des
facteurs anthropogéniques (production d'essence, émanation de solvant) et aussi par la
végétation. On les retrouve dans l'air ambiant domestique, et ils sont la causes de nombreuses
maladies respiratoires et de peau. Carburant, peinture, colle, solvant, insecticide, parfum
d'intérieur, produits de nettoyages, sont des COV fortement cancérigènes, sources de difficultés
respiratoires et de problèmes de reproductions.
Plus de 100 000 substances chimiques font partie de notre quotidien, elles contribuent à la
formation de cancers, de problèmes génétiques et pathologiques de reproduction, de difficultés
respiratoires importantes, de maladies de peau et d'allergies[7], selon le Président de UFC - Que
Choisir. Situé dans l'espace domestique, ce type de pollution affecte d'abord les personnes les
plus fragiles (enfants, femmes enceintes, personnes âgées). En conséquence, les hôpitaux filtrent
ce type de pollution dans les blocs opératoires, mais cette solutions est aussi adoptée par les
particuliers pour traiter la pollution domestique.
Gaz à effet de serre
Article détaillé : Gaz à effet de serre.
Dioxyde de carbone
29
Centrale thermique fonctionnant au charbon en Allemagne
Alors que le dioxyde de carbone n'est pas toxique en soi, et favorise en fait la croissance des
plantes, les environnementalistes ont mis en évidence dans les années 1990 une théorie selon
laquelle l'excès de dioxyde de carbone serait une forme de pollution, en raison de son action dans
le processus de réchauffement climatique. C'est notamment pourquoi le Protocole de Kyoto,
entré en vigueur en 2005, a établi un calendrier de réduction des émissions de ce gaz.
Bien que mis en doute par de nombreux scientifiques, le consensus du rapport du GIEC de 2007
précise que la probabilité est de 90 % que l'homme soit responsable du « changement
climatique » observé entre l'âge industrielle à ce jour.
Article détaillé : Émissions de CO2.
Méthane
Le méthane (CH4) est nuisible par sa grande contribution à l'effet de serre. Son potentiel de
réchauffement global sur une durée de 100 ans est de 25 fois celui du CO2. Comme le méthane
se dégrade assez rapidement dans l'atmosphère, la valeur est encore plus forte sur une durée de
20 ans ; 72 fois celui du CO2.
Sources :




Fermentation (voir biogaz)
Gaz de digestion des animaux d'élevage (ruminants notamment) (il faut savoir que cette
pollution représente 18 % du changement climatique, alors que tous les moyens de
transport réunis n'en produisent « que » 13,5 %)
Culture de riz
Gaz naturel
30
Protoxyde d'azote
Le protoxyde d'azote N2O, est un gaz à effet de serre très important malgré des concentrations
assez faibles, en raison de son potentiel de réchauffement global sur une durée de 100 ans égal à
298 fois celui du CO2. La production du N2O est essentiellement une conséquence de l'utilisation
d'engrais azotés en agriculture, et n'a rien à voir avec les autres oxydes d'azote, qui sont eux
produits par la combustion, notamment dans les moteurs.
CFC et assimilés
Dès les années 1980, il a été démontré que les chlorofluorocarbones (CFC), dits « fréons », ont
des effets potentiellement négatifs ; destruction de la couche d'ozone dans la stratosphère ainsi
qu'importante contribution à l'effet de serre. Le protocole de Montréal mis un terme à la
production de la grande majorité de ces produits.
Sources :


Utilisés dans les systèmes de réfrigération et de climatisation pour leur fort pouvoir
caloporteur, ils s'en échappent à l'occasion de fuites des appareils ou sont libérés lors de
la destruction des appareils hors d'usage.
Utilisés comme propulseur dans les bombes aérosols, une partie est libérée à chaque
utilisation. Les bombes aérosols utilisent désormais comme gaz de propulsion de l'air
comprimé, ou du dioxyde de carbone (CO2).
Autres gaz




Monoxyde de carbone (CO) : c'est un des produits de la combustion incomplète. Il est
dangereux car il se fixe sur l'hémoglobine du sang, empêchant le transport d'oxygène
dans l'organisme. De plus, il est inodore et incolore, le temps de ressentir un léger mal de
tête et il est déjà trop tard sans intervention extérieure. Il se dilue très facilement dans l'air
ambiant, mais en milieu fermé, sa concentration le rend toxique, voire mortel ; chaque
année, on relève des dizaines de cas d'intoxication mortelle, à cause d'appareil de
combustion (ou de groupes électrogènes) placés dans une pièce mal aérée (manque
d'oxygène entrant, manque de sortie pour le CO).
Dioxyde de soufre (SO2) : c'est l'un des principaux déchets rejetés lors de la combustion
d'origine fossile. Ces origines peuvent être anthropiques (chauffage domestique,
transports, industrie, métallurgie) mais également naturelles : marécages, océans,
volcanisme. Il est un agent irritant du tractus respiratoire. Le dioxyde de soufre est aussi
un composant de la formation des pluies acides, nuisibles aux écosystèmes tels que les
forêts et les lacs. En 2006, la Chine est le premier pays du monde pour les émissions de
dioxyde de soufre, qui ont progressé de 27 % entre 2000 et 2005[8].
Les hydrocarbures aromatiques polycycliques, sont un ensemble de composés dont
certains sont cancérigènes, émis dans le cadre de la combustion, notamment la
combustion domestique, mais également dans les moteurs Diesel.
le mélange BTX : benzène, toluène, xylène.
31
Particules
Pot d'échappement d'automobile
Les particules solides en suspension dans l'air sont principalement constituées :




de suies, particules cancérigènes riches en carbone, résidus de combustion incomplète
(dues aux moteurs diesel, à l'activité industrielle, au chauffage au bois résidentiel [9], par
exemple).
de poussière (provenant de l'érosion des sols ou d'activité volcanique),
de particules d'origine biologique pollen, virus, bactéries, spores, excréments d'acariens..
(tout ou partie de l'année). Les pollens peuvent être rendus allergènes par contact avec les
polluants oxydants (ozone en particulier) ou suite à un long séjour dans l'air ou exposé
aux UV [10]....
des procédés industriels, comme le sciage du bois d'œuvre.
Le poids de ces particules et leur taille, de l'ordre du micromètre à la centaine de micromètres de
diamètre, leur permettent de se diffuser au gré des vents, voire pour les nanoparticules de se
comporter comme des gaz. Une fois émises, elles peuvent rester en suspension pendant des
heures et même des jours ou des mois (voir Particules en suspension).
Elles peuvent pénétrer profondément dans les poumons et ce d'autant plus que leur taille est
réduite (particules fines, plus petites que 2,5 µm). Dépendant de leur constitution (mélange
comprenant plusieurs éléments), de leur concentration et des durées d'exposition, les particules
peuvent causer des allergies, des difficultés respiratoires ou encore des lésions pouvant entraîner
des cancers dans certains cas.
La pluie en lessivant l'atmosphère ramène de nombreux polluants au sol. Mais une partie d'entre
eux, pourra, une fois déshydratée, repartir dans l'air. Certains polluants plus légers que l'eau ou
liposolubles sont provisoirement fixés par les océans, dans le biofilm de surface, mais ils peuvent
repasser dans le compartiment atmosphérique par évaporation ou via les embruns emportés par le
vent à des dizaines voire des centaines de kilomètres lors des tempêtes.
Parmi les problèmes émergents, récents ou nouveaux, on peut citer :

la pollution radioactive, avec les essais nucléaires atmosphériques, puis les pollutions
dues au fonctionnement des installations nucléaires ou à des accidents (Tchernobyl,
Tokai-Mura..). Des molécules qui n'existent pas dans la nature peuvent apparaître
32






ponctuellement (iode radioactif à courte durée de demie vie) ou durablement (dans ce cas,
il s'agit souvent de métaux lourds qui tendent à retomber au sol (ex. : plutonium, césium
137 de Tchernobyl), mais qui peuvent facilement recontaminer l'air lors par exemple d'un
incendie de forêt, après qu'ils se sont accumulés dans les arbres ou d'autres végétaux ou
champignons exposés à l'incendie.
produits chlorés type dioxines ou furanes issus de l'incinération des déchets
nouveaux produits chimiques industriels non testés (voir Directive Reach)
des résidus de pulvérisations de pesticides (micro-gouttelettes ou micro-agglomérats
cristallisés) issus de gouttelettes perdues par les pulvérisateurs et emportés par le vent
(dérive), ou qui se sont décollées du sol ou qui sont présentes sous forme absorbée sur les
particules de sol transformée en poussière ;
des polluants biologiques nouveaux ou anormalement présents. C'est le cas de particules
émises par l'aération des élevages industriels. C'est le cas de fines particules provenant de
fientes d'oiseaux, d'excréments de chiens et de chats qui sont déshydratés, écrasés et
dispersés par le passage des piétons et véhicules puis mis en suspension dans l'air par le
vent, avec des spores fongiques ou microbiens (streptocoques, staphylocoques) en raison
de l'imperméabilisation croissante de notre environnement. L'apparition de nouveaux
matériels de nettoyage comme les souffleuses a exacerbé ce type de pollution.
des métaux lourds paradoxalement perdus par les pots catalytiques
des pollens nouveaux apportés par des plantes introduites allergènes, une augmentation
du nombre de pollens érodés et dégradés (et donc plus allergènes) en raison de la forte
régression des abeilles qui en collectent donc bien moins, en raison de l’augmentation de
l’acidité et du caractère oxydant de l’air, et en raison de l’imperméabilisation croissante
de notre environnement : la rosée, les mousses et les lichens qui fixaient et les sols
humides qui fixaient les pollens et particules de l’air disparaissent de nos villes.
Parmi les questions émergentes :


Celle des "changements climatiques" apparaît de plus en plus préoccupante. La pollution
gagne les hautes couches de l'atmosphère avec les avions à réactions. Leurs traînées de
condensation contrails), non pris en compte par le Protocole de Kyoto ont des impacts qui
semblent avoir été sous-estimés.
La pollution lumineuse, en forte augmentation est indirectement liée à la pollution de l'air
(la réflexion de la lumière sur les particules en suspension augmente la diffusion et la
taille du halo)
Synthèse sur les grandes sources de pollution aérienne
La principale cause est l'activité anthropique, mais certains événements naturels peuvent
perturber la composition de l'air de façon non négligeable et durable, comme une éruption
volcanique ou certains feux naturels à très grande échelle.
La pollution due aux activités humaines se décompose principalement en :

rejets de l'industrie : les industries de la chimie et de la pétrochimie notamment rejettent
dans l'air de nombreux types de produits, résidus de processus de transformation ; les
33




installations du secteur de la Sidérurgie et de la métallurgie émettent également de
nombreux polluants en grande quantité, notamment dans des processus de combustion
incomplète : cokeries, agglomérations, etc., ou de refonte de matériaux utilisés (aciéries
électriques) ;
rejets liés à l'incinération et la dégradation naturelle ou contrôlée (compostage,
fermentation…) des ordures ou d'autres produits ;
rejets liés à la production d'énergie (électricité, généralement par combustion de carbone
fossile produits pétroliers, charbon et gaz ; ou de chaleur chauffage résidentiel, des
bureaux…),
rejets liés aux activités agricoles et d'élevage ;
la pollution par les transports ; diffuse et difficile à contrôler.
Règlementation
La plupart des pays se sont dotés de lois sur l'air (Clean Air Act), Loi sur l'air en France, etc.
En Europe, les voitures neuves devront en 2012 ne pas émettre en moyenne plus de
120 grammes de CO2 par kilomètre contre de 160 en 2006. Les constructeurs automobiles
devront y contribuer jusqu'à 130 g/km, les 30 g restant étant assuré par l'ajout de biocarburants
et/ou des nouvelles technologies.
L'annexe VI de la convention marpol traite de la pollution de l'air par les navires.[11]
Effets (Impacts sanitaires)
Sur les êtres vivants
La pollution de l'air semble avoir des conséquences globales ; en affectant la santé de nombreux
êtres vivants évolués, et même d'espèces réputées primitives et résistantes (lichens, algues,
invertébrés..). La pollution peut directement tuer des organismes (ex. : lichens sensibles à la
pollution acide de l'air). Elle a aussi des impacts indirects (par exemple en dégradant les odeurs,
fragrances florales, hormones ou phéromones avant qu'elles atteignent leurs cibles), ce
phénomène pouvant pour partie expliquer le déclin de certaines populations pollinisateurs (dont
certains oiseaux, chauve-souris nectarivore) constaté dans tous les pays industriels et agricoles. Il
pourrait aussi expliquer les difficultés qu’ont les individus de certaines espèces (lézards,
serpents, amphibiens, certains mammifères) à se reproduire (mâle et femelles ne se retrouvant
plus ou moins bien) ou de certaines espèces à se nourrir (l’individu ne percevant plus aussi bien
l’odeur qui le conduisait à sa source de nourriture). Certaines phytohormones pourraient moins
bien jouer leur rôle de médiateur biochimique, rendant certains végétaux plus fragiles et
vulnérables à leurs prédateurs. Les relations prédateurs-proies pourraient être également
affectées là où l’air est pollué.[12].
Chez l'Homme
34
Elle entraîne une augmentation des maladies respiratoires (comme asthme, angines ou
insuffisance respiratoire ou bronchiolite) et cardio-vasculaires et est source de surmortalité. Les
enfants sont plus sensibles que les adultes à la pollution automobile.
La réduction des fines particules en suspension dans l'air augmente l'espérance de vie.[13] La
réduction de la pollution de l'air peut contribuer jusqu'à 15% de l'espérance de vie globale.
Certains industriels proposent des solutions de purification de l'air domestique à l'aide d'appareils
de filtration, épuration, combustion, ou photocatalyse de l'air afin de réduire les risques des
impacts sanitaires de la pollution sur l'organisme à partir d'une analyse des différentes sources de
pollution de l'air.


Système cardiovasculaire : L’exposition chronique à un taux important de microparticules dans l'air accroît sensiblement le nombre de maladies cardio-vasculaires
(infarctus du myocarde, accidents vasculaires cérébraux, angine de poitrine) et est
associée à un risque accru de décès et d’infarctus fatal ; Une étude nord américaine
récente a conclu qu'une augmentation de l’exposition aux particules PM 10 de 10 µg/m³
en moyenne sur un an, se traduit par une augmentation de 16% du taux de mortalité
global et un accroissement de 43% du taux de mortalité par infarctus (le tabagisme et
l'excès de poids étant 2 facteurs aggravant le risque de mortalité)[14], plus encore chez la
femme ménopausée[15].
Santé reproductive : Les pesticides respirés à faible dose mais de manière chronique
sont suspectés d'affecter la santé, notamment reproductive de l'Homme (et d’un nombre
croissant d'espèces animales et végétales).
On connaissait déjà les effets délétères pour la reproduction de nombreux métaux lourds
ou de produits chimiques qualifiés de leurres hormonaux ou mimétiques hormonaux. Il
semble aussi que les polluants les plus courants puissent avoir des effets sur la fertilité.
Selon une méta-analyse récente d’études internationales (de Tchéquie, Pologne, Brésil,
États-Unis)[16], les polluants communs de l'air auraient aussi un impact sur différentes
étapes de la reproduction humaine masculine et féminine (gamétogénèse, conception,
développement intra-utérin, naissance).
Métrologie : Elle est rendue délicate par le caractère multifactoriel des problèmes, la pollution
de l'air n'étant parfois qu'un des paramètres en cause. Des protocoles épidémiologiques et
écotoxicologiques d'évaluation des impacts de la pollution de l'air se développent depuis les
années 1980 pour mieux quantifier le nombre de cas attribuables à une pollution spécifique (par
exemple en France, pour les plans régionaux pour la qualité de l’air (PRQA) prévus par la loi sur
l'air. En France, l'évaluation se fait en 6 étapes: 1) définition d'une période d’étude, 2) définition
d'une zone d’étude, 3) recueil et analyse d'indicateurs d’exposition à la pollution de l'air, 4) et
d'indicateurs sanitaires, 5) choix de relations exposition-risque, 6) calcul du nombre de cas
imputable à cette pollution. Des outils aident les chercheurs à construire des indicateurs
(d’exposition, de vulnérabilité, sanitaires..) et pour le calcul des cas selon différents scénarios[17].
Végétaux

La pluie acide est le phénomène le plus souvent évoqué, mais il se combine avec
l'exposition aux embruns routiers salés, aux embruns marins pollués (cf. biofilm) et aux
35

apports par l'air et les pluies d'autres polluants dont des désherbants, fongicides ou
insecticides transportés par l'air puis lessivés par les pluies ou directement absorbés dans
les cuticules cireuses. Ces polluants affectent les plantes directement, ou indirectement
suite à la disparition ou régression de champignons symbiotes, ou d'espèces
pollinisatrices (abeilles notamment). Certaines plantes semblent toutefois dotées de
puissants mécanismes de détoxication (par exemple le lierre dégrade le benzène qu'il
absorbe, au point de dépolluer en quelques heures l'air d'une pièce fermée. (voir
programme phyt'air).
Le retour de produits azotés (nitrates) sur terre et dans les mers par lavage par la pluie
pourrait avoir une incidence sur la prolifération [réf. nécessaire]
Animaux



Les impacts les plus souvent cités sont respiratoires et écotoxiques (phénomènes
inflammatoires, diminution de l'immunité).
Des études récentes sur les pesticides dans l'air, et sur les pesticides dans la pluie ont
montré que certains de ces biocides sont (dans les années 1990-2006) souvent présents
dans l'air et les pluies, rosées, brumes, etc. Ils sont très présent dans les pluies plusieurs
jours par an (au-dessus des normes européennes pour l'eau potable, et en quantité très
supérieure à ce qu'on trouve dans l'eau du robinet). Ils sont le plus présent au moment des
pulvérisations ou peu après, c’est-à-dire une grande partie de l'année en zone tropicale, et
le plus souvent de mai à mi-juillet (dans l'hémisphère nord, en zone tempérée). Les
mesures ont montré qu'ils diffusent rapidement à grande distance, ce qui explique qu'ils
sont presque aussi présents en ville dense que dans les villes industrielles et agricoles. On
dispose de peu de données sur l'habitat dispersé dans les champs ou aux abords de vignes
ou vergers. Les insecticides affectent directement nombre d'animaux à sang froid en les
tuant ou en les affaiblissant. Pesticides et engrais peuvent avoir de nombreux impacts sur
la faune et les écosystèmes.
Des chercheurs ont modélisé [18] l’impact de la pollution de l’air sur la dispersion des
fragrances de fleurs : Dans un air pur, les odeurs florales se dispersent sur des distances
pouvant parfois dépasser le kilomètre, alors que dans un air pollué, l’ozone, les acides,
divers oxydants et radicaux libres (hydroxyles et nitrés) et d’autres polluants dégradent
ou modifient ces molécules en réduisant fortement la portée de la fragrance des fleurs
(50 % du parfum d’une fleur est alors “ perdu ” avant d’avoir parcouru 200 m). Selon
Jose D. Fuentes, co-auteur de l’étude “Cela rend beaucoup plus difficile la localisation
des fleurs pour les pollinisateurs”. Il estime que ces arômes sont détruits jusqu’à 90% par
la pollution, par rapport à avant l'Ère industrielle, et que ce pourrait être une des causes de
régression des pollinisateurs (dont les abeilles).
Champignons

Les champignons sont en forte régression dans les zone d'agriculture intensive et
urbaines, tout comme certains lichens pour cela utilisés comme bio-indicateurs de la
qualité de l’air. Il est possible que les fongicides présents dans l’air et lessivés par les
36
pluies soient responsable de la régression des espèces les plus sensibles. D’autres
polluants pourraient avoir des propriétés fongicides non intentionnelles.
Les champignons sont aussi bios accumulateurs, notamment pour les métaux lourds et
radionucléides. À ce titre, ils peuvent être utile pour détecter des pollutions anciennes (mercure
par ex, très bio accumulé par les arbres, puis par le champignon (ex : Oreille de Judas), chaque
espèces semblant avoir des préférences pour certaines catégories de métaux.
Sur les bâtiments
Les matériaux dans l’environnement urbain pollué
Depuis plus de deux siècles, l'augmentation massive de la production et de la consommation
d'énergie, due au développement des industries, des transports et du chauffage, ainsi que le
remplacement, comme combustible, du bois par le charbon et les dérivés du pétrole, ont entraîné
d'importantes émissions atmosphériques de composés soufrés, soit sous forme gazeuse (SO2),
soit liés à des particules (cendres volantes micrométriques, suies nanométriques). Il en a résulté
une importante sulfatation des matériaux du patrimoine bâti, surtout la pierre, se manifestant par
l'apparition, à l'interface matériaux-atmosphère, de sulfate de calcium hydraté (Gypse: CaSO4,
2H2O). Cette sulfatation est accompagnée d'altérations physiques et esthétiques, selon des
modalités complexes dépendant, en plus des concentrations en soufre d'origine atmosphérique,
d'autres paramètres tels que l'humidité relative de l'air, l'exposition ou non des matériaux à la
pluie, de leur disponibilité en calcium, de leur porosité, de leur rugosité...
La nature chimique et minéralogique, ainsi que les propriétés physiques de la surface des
matériaux en cours de sulfatation, influent sur ce phénomène en déterminant uniquement ses
modalités, qui vont ainsi sensiblement différer d' une pierre calcaire à une pierre siliceuse, d' une
pierre compacte à une pierre poreuse, d' une pierre à un bronze ou à un verre, etc...
Le durcissement de la réglementation ces dernières décennies en matière d'émissions
atmosphériques, l’abandon du charbon et la désulfuration des combustibles ont porté leurs fruits:
les teneurs en SO2 et en cendres volantes ont considérablement chuté. Cependant, une évolution
s'est faite en sens inverse: les teneurs en NOx, provenant de l'oxydation de l'azote atmosphérique
lors de toute combustion, et les teneurs en particules très fines, les suies, provenant de la
combustion d'autres carburants que le charbon et le fioul lourd (essence, fioul léger, kérosène,
gaz naturel...) n'ont pas diminué et occupent désormais le devant de la scène, malgré les efforts
importants des motoristes automobiles.
Les pellicules noires fines, lisses et compactes que l'on voit actuellement se développer sur les
bâtiments récemment nettoyés ont ainsi remplacé les croûtes noires gypseuses : la salissure noire
(soiling en anglais) a remplacé la sulfatation. Par ailleurs, la formation de nitrates à la surface
des matériaux, à partir des oxydes d’azote et de l’acide nitrique, est très rarement observée,
probablement du fait de leur très grande solubilité dans l'eau, qui les fait disparaître sitôt formés.
L'aspect des façades et des statues
37
L'observation d'une façade de bâtiment ou celle d'une statue en zone urbaine polluée montre la
juxtaposition de parties sombres et de parties claires:
• Les parties sombres sont abritées de la pluie (hormis le cas du développement à la pluie
d'organismes de couleur foncée très avides d'humidité). On y note la présence de croûtes grises
ou noires qui se révèlent au laboratoire être constituées de particules atmosphériques cimentées
par du gypse. La croissance de ces croûtes gypseuses nécessite que les phénomènes qui en sont à
l’origine, la sédimentation particulaire et leur cimentation, soit continus. Cela explique que ces
croûtes se trouvent dans les zones abritées de la pluie; en effet, une pluie ou un ruissellement
peuvent en quelques instants évacuer les particules qui s'étaient déposées depuis la pluie
précédente et dissoudre le ciment gypseux embryonnaire qui s'était formé. Cependant, le gypse
étant un minéral hydraté, une quantité minimale d'humidité dans l'air (vapeur, microgoutellettes
de brouillard) est indispensable à sa formation.
• Les parties claires sont frappées par la pluie directe ou par des ruissellements d'eau. À ces
endroits, le matériau est à nu car il est lessivé : il conserve sa couleur originelle. Les particules
qui se sont déposées entre deux pluies sont évacuées par la pluie suivante et le ciment gypseux
qui a commencé de se développer est dissous : la surface du matériau est à nu ou même érodée.
La sulfatation à l'interface matériau-atmosphère
La sulfatation des façades des bâtiments et des statues en atmosphère urbaine polluée concerne
tous les matériaux qui les constituent.
L'apparition du gypse est cantonnée à l' interface entre l'atmosphère contenant du soufre et la
surface des matériaux à son contact:
• Le gypse apparaît au-dessus de la surface quelle que soit la nature du matériau, calcique ou
non : pierres calcaires ou siliceuses, ciments, mortiers, bétons, briques, céramiques, verres,
vitraux, métaux, bois, plastiques, peintures... Dans ce cas, la sulfatation se fait de la surface du
matériau vers l'extérieur, par apport de soufre sous forme gazeuse (SO2), d' humidité (H2O)
sous forme de vapeur ou de micro-gouttelettes contenant éventuellement des composés soufrés et
calciques dissous, et par dépôt de poussières diverses (anthropiques, terrigènes, marines,
biogéniques...) elles-mêmes éventuellement porteuses de soufre et de calcium. L'ensemble
aboutit à la croissance d'une croûte gypseuse, d'abord grise puis s'assombrissant
progressivement jusqu'au noir. Parmi les particules atmosphériques, une attention particulière a
été portée ces dernières décennies aux cendres volantes, émises principalement par la
combustion du charbon et du fioul lourd. Certaines sont en effet porteuses de soufre et de
catalyseurs de la sulfatation (V, Ni, Fe...): elles pourraient ainsi jouer un rôle important dans la
synthèse du gypse.
• La sulfatation en dessous de la surface vers la profondeur, se fait par transfert du soufre suivant
le réseau poreux du matériau, sous forme gazeuse (SO4) et/ou dissous dans l'eau (H2SO4).
Cependant, le gypse n'apparaît en dessous de la surface que si du calcium mobilisable est
disponible dans le matériau, généralement sous forme de carbonate (calcite: CaCO3) et il apparaît
alors par transformation de la calcite, en entraînant souvent d'importants désordres structuraux
38
macroscopiques du fait que son volume molaire est plus grand que celui de la calcite:
fracturation, cloquage, détachement de plaques...
Les deux phénomènes de sulfatation au-dessus et au-dessous de la surface des matériaux
peuvent être concomitants ou indépendants, en fonction des propriétés de la pierre et des
conditions de la pollution atmosphérique:
A -Une pierre calcaire moyennement poreuse comme le calcaire lutétien qui a servi à bâtir les
grands monuments (Louvre, Notre-Dame, Saint-Eustache...) et les immeubles hausmanniens de
Paris, présente plusieurs formes d'altération en relation avec la pollution atmosphérique:
• les parties à l'abri de la pluie et des ruissellements sont sombres et voient se développer des
croûtes gypseuses.
• les parties exposées à la pluie sont claires, lessivées et érodées, mais peuvent aussi présenter
une forme originale d'altération structurale: la formation et le détachement de plaques blanches.
L'épaisseur de ces plaques (mm) semble correspondre à la profondeur de pénétration de l'eau lors
d'une pluie battante qui sature rapidement le réseau poreux superficiel de la pierre avant de
ruisseler à sa surface (phénomène du refus). Après la fin de la pluie, pendant la phase de séchage,
l'eau s'évapore en profondeur de la roche, entraînant la cristallisation des sels qu'elle contenait à
l'état dissous, essentiellement du gypse, développant ainsi un niveau de décollement qui entraîne
le détachement de la plaque blanche parallèlement à la surface du mur et indépendamment de la
stratification de la pierre. Ce phénomène peut s'observer, par exemple, dans la Cour Carrée du
Louvre ou sur l'église Saint-Eustache. Si une importante rugosité superficielle de la pierre se
conjugue à une importante pollution particulaire, des particules déposées vont résister au
lessivage et des croûtes noires pourront apparaître même dans les parties des façades exposées à
la pluie. Ainsi, ce mécanisme d'évaporation-cristallisation va-t-il entraîner le détachement,
parallèlement à la surface du mur, d'une plaque non plus blanche mais noire. Ce mécanisme
explique la relative minceur des coûtes noires recouvrant ces plaques noires: elles n'ont pas le
temps de croître comme leurs voisines abritées de la pluie, puisqu'elles se détachent
spontanément et assez rapidement. C'est aussi ce mécanisme "d'auto-nettoyage" qui explique la
juxtaposition en puzzle de taches blanches, grises et noires dans ces parties des édifices
exposées à la pluie: le détachement d'une plaque noire fait apparaître une zone intacte blanche
qui, à son tour, va peu à peu devenir grise puis noire. Les taches blanches du puzzle sont
soumises depuis peu au dépôt particulaire, les grises depuis plus longtemps et les noires depuis
encore plus longtemps. Une plaque noire comporte de sa surface vers sa profondeur: une croûte
noire, une tranche de pierre partiellement sulfatée, le niveau gypseux qui a entraîné son
détachement.
B - Une pierre comme le tuffeau de Touraine, très poreuse et très rugueuse en surface,
montre aussi de très nombreux exemples de tels puzzles blanc-gris-noir. Ainsi, la cathédrale de
Tours et les monuments ou les maisons du Val de Loire, devraient être entièrement noirs s'ils
n'assuraient pas spontanément leur "auto-nettoyage" par le détachement régulier de plaques
noires. Mais cet "auto-nettoyage", s'il dispense d'une intervention des entreprises d'entretien des
façades, a une conséquence économique importante: s'il est inutile de les nettoyer, il faut
remplacer les pierres, car chaque détachement de plaque entraîne une perte de matière et un
39
sérieux recul de la surface de l'édifice. L'auto-nettoyage permanent entraîne la nécessité de
chantiers permanents de remplacement de la pierre. Le phénomène peut être sensiblement freiné
en substituant au tuffeau poreux une pierre moins poreuse comme la pierre de Richemont. La
cathédrale de Tours montre encore, par exemple dans le cloître de la Psallette qui lui est adossé
au Nord, que les parties abritées de la pluie peuvent montrer elles aussi le phénomène du puzzle
blanc-gris-noir: les condensations d'eau sont tellement importantes sous les voûtes de ce cloître
que cette eau percole à travers les croûtes noires, pénètre dans la roche sous-jacente et s'y
évapore en profondeur selon le mécanisme que nous venons de décrire dans les parties exposées
à la pluie.
C - Enfin, un puzzle blanc-gris-noir peut encore apparaître lorsque des remontées capillaires
d'eau chargée de sels s'ajoutent à la pollution atmosphérique. C'est le cas par exemple à
Venise, à la base des palais construits en pierre blanche d'Istrie où les croûtes noires dues à
l'accumulation et à la cimentation des poussières atmosphériques restent adhérentes aux parties
des édifices situées à l'abri de la pluie, mais se détachent spontanément en puzzle lorsque les sels
des remontées capillaires cristallisent à la base des mêmes édifices qui sont baignés par l'eau de
mer.
Les changements de nature de la pollution atmosphérique
Des changements de nature de la pollution atmosphérique - et donc des dépôts sur les matériaux se sont produits dans le passé, quand la nature des combustibles a changé.
L'utilisation massive du charbon, puis des dérivés du pétrole aux 19ème et 20ème siècles, a
succédé à l'utilisation non moins massive du bois, combustible universel et unique pendant de
nombreux siècles (cuisine, chauffage, artisanat...). Il en résultait alors une probable pollution
atmosphérique dont on retrouve trace dans la littérature et même dans la peinture antérieure à la
révolution industrielle et à l'invention de la photographie. On en retrouve aussi des reliquats sur
des éléments de façade anciens, exposés à l'atmosphère anté-industrielle et qu'un concours de
circonstances a épargnés ensuite de l'action de l'atmosphère industrielle.
A - Un exemple démonstratif de tels reliquats est celui des Têtes des Statues des Rois de Juda,
actuellement exposées au Musée National de Moyen Age, en l' Hôtel de Cluny, à Paris. Ces
statues ont orné la façade de Notre-Dame de Paris depuis l'époque gothique (XIIe siècle) jusqu'à
la Révolution française (1793) lors de laquelle elles furent martelées, décapitées, et jetées à bas,
avant d'être évacuées vers un lieu inconnu (1796). Au XIXe siècle, Viollet-le-Duc fit exécuter les
copies que l'on voit actuellement sur la façade de la cathédrale. Vingt-et-une des vingt-huit têtes
originelles furent retrouvées fortuitement en 1977, lors de travaux souterrains rue de la Chaussée
d' Antin et transportées au musée où elles peuvent dorénavant être examinées. Cet examen révèle
la présence de croûtes grises sur les faces des statues mais pas sur les tranches des cous: cet
encroûtement s'est donc produit antérieurement à leur enfouissement, c'est-à-dire durant leur
exposition à l'atmosphère du centre de Paris entre le 12ème et le 18ème siècles. L'examen
microscopique du contenu de ces croûtes grises montre d'abondants débris de bois cimentés par
une gangue minérale majoritairement calcitique et peu sulfatée. Ce résultat prouve
l'empoussièrement massif (au point d'en incruster les éléments des façades) de l'atmosphère
parisienne anté-industrielle, la nature des poussières révélant celle du combustible dominant, le
40
bois, et la nature du ciment révélant celle du gaz polluant dominant, le CO2, accompagné de
faibles doses de SO2.
B - En 1770, Demachy peignait une toile intitulée "La démolition de l'Église SaintBarthélémy en la Cité", actuellement exposée au Musée Carnavalet à Paris, sur laquelle on
observe clairement des croûtes grises aux endroits où les attend, compte-tenu des connaissances
exposées ci-dessus (les parties de la façade de l'église abritées de la pluie, en particulier la partie
haute des colonnes). De plus, la source occasionnelle de ces dégradations esthétiques est ellemême peinte: un brasero brûlant évidemment du bois. L'église Saint-Barthélémy en la Cité
occupait l'emplacement actuel du Tribunal du Commerce, Boulevard du Palais, à 200 m de
Notre-Dame où les mêmes causes produisaient les mêmes effets à la même époque.
C - D'autres croûtes grises anté-industrielles sur la pierre ont été trouvées à Paris sur le
Pilier des Nautes, à Saint-Trophime d'Arles, à Bologne, à Rome... et d'autres exemples de
représentations de croûtes noires, aux endroits où elles doivent être, existent sur les toiles de
certains peintres vénitiens du XVIIIe siècle bons observateurs (Canaletto, Guardi, Bellotto...),
alors que chez leurs prédécesseurs et contemporains (Titien, Véronèse...) les zones sombres ne
résultent que du jeu de la lumière avec l'architecture. Les premiers ont peint ce qu'ils voyaient,
les seconds ce qu'ils imaginaient...
Le verre des vitres et des vitraux dans l’environnement urbain pollué
A -Le verre a la réputation d'être un matériau inaltérable. En effet, beaucoup d'objets anciens en
verre nous parviennent apparemment intacts ; cependant, les instruments modernes
d'investigation montrent que si, à l'échelle macroscopique un verre peut sembler inaltéré, il n'en
est pas de même à l'échelle microscopique. Le principal agent d'altération du verre est l'eau, qui
provoque, lorsque son pH est inférieur à 9, un lessivage superficiel ou lixiviation (leaching) des
alcalins et alcalino-terreux, éléments dits « modificateurs » du réseau irrégulier de tétraèdres
SiO4, dits « formateurs ». Il en résulte la formation d'une couche de gel siliceux hydraté qui fait
écran à la propagation de la lixiviation en profondeur. De fait, celle-ci ne progresse qu'à la faveur
de fractures parallèles ou perpendiculaires à la surface du verre. Lorsque le pH de l'eau dépasse
9, la structure en tétraèdres est elle-même détruite et le verre se corrode. Dans les conditions de
la pollution atmosphérique, le pH est plutôt acide que basique et la lixiviation prédomine. Son
intensité dépend essentiellement de la composition chimique du verre: les verres et vitraux
anciens sont généralement silico-calco-potassiques et sont peu durables; les verres modernes
sont silico-calco-sodiques et sont très durables.
B - Les vitraux anciens des églises, que l'on ne nettoie pas régulièrement, s'altèrent sous la pluie
par lixiviation ou par corrosion (apparition de cratères), et ils s'opacifient par le développement
de croûtes sulfatées dans les parties abritées de cette pluie. De plus, ils ont le plus souvent une
composition chimique qui favorise leur altérabilité (richesse en potassium, pauvreté en sodium).
L'action de la pollution atmosphérique contemporaine sur des échantillons de verre ayant la
composition de vitraux anciens consiste en une lixiviation par la pluie entraînant en surface
l'apparition de néo-cristallisations dont la composition chimique reflète dans un premier temps
la composition du verre et celle des polluants gazeux (sulfates et nitrates de calcium, sodium,
potassium...). Mais, peu à peu le gypse devient le minéral dominant et il cimente des particules
41
atmosphériques. On assiste ainsi au développement progressif d'une croûte noire gypseuse
comme sur la pierre ou le bronze, dans les zones abritées de la pluie.
C - Le principal dommage causé au verre moderne par la pollution atmosphérique est d'ordre
esthétique : il s'agit d'une salissure (soiling) provoquée par le dépôt et la rémanence de
poussières à sa surface, y compris dans les parties lessivées par la pluie, ce qui peut paraître
paradoxal, et qui nécessite des nettoyages incessants, souvent à grands frais. En revanche, la
lixiviation de ces mêmes verres modernes sodiques est un phénomène insignifiant, sans
conséquences macroscopiques visibles à court terme.
Sur le climat
Certains polluants atmosphériques, notamment les CFC, détruisent la couche d'ozone.
Attention : l'ozone est un gaz toxique et il est donc considéré comme un polluant dans l'air près
du sol. À ces altitudes, il s'agit d'ozone produit essentiellement par des activités humaines. Dans
les couches à haute altitude, où il est présent naturellement, il arrête une partie des rayons UV et
a donc un rôle positif et ne peut plus être considéré comme polluant. C'est pour cette raison qu'on
parle parfois de "bon" et de "mauvais" ozone.
Statistiques mondiales
Pays de l’OCDE
pays
Australie
Canada
États-Unis
Grèce
Pologne
Espagne
République
tchèque
Luxembourg
Pollution de l'air de quelques pays de l'OCDE en 2005[19]
émissions de CO2 dues à la
émissions d'oxyde émissions d'oxyde
consommation d'énergie
de soufre
d'azote
rapporté au rapporté au nombre
(en kg/hab.)
(en kg/hab.)
PIB
d'habitants
0,81
17,35
143
120
76,0
78,0
0,72
17,49
48
65
0,45
19,48
46
29
0,73
8,67
38
21
1,66
7,68
37
35
0,52
7,68
23
31
1,94
11,47
7
38
0,47
21,96
Note : la Russie et la Chine ne font pas partie de l'OCDE.
Selon l’Agence d'information sur l'énergie américaine, les rejets de CO2 aux États-Unis ont chuté
de 1,3 % en 2006[20] à cause d'un hiver moins rigoureux.
42
Selon l'Association médicale canadienne, en 2008 au moins 21 000 Canadiens décéderont des
suites d'effets graves de la pollution atmosphérique[21].
République populaire de Chine
Le développement industriel rapide de la Chine provoque une augmentation de la pollution
atmosphérique, en particulier dans les grandes agglomérations du pays.
En 2007, la Chine devrait dépasser les États-Unis en termes de rejet de CO2 et devenir le premier
pays pollueur du monde : les émissions de dioxyde de carbone devraient passer de 5,6 milliards
de tonnes en 2006 à 6,02 cette année, ce qui représente environ 22 % du total mondial[22]. mais
en même temps, vu la démographie de la chine qui fait 22% de la population mondiale, celà fait
un taux de pollution de 4.42 tonnes par habitant, encore bien inférieur à celui de la France qui est
égal à 5.95 tonnes par habitants [23].
En 2006, la Chine est le premier pays du monde pour les émissions de dioxyde de soufre, qui ont
progressé de 27 % entre 2000 et 2005[24]. Le dioxyde de soufre est aussi un composant de la
formation des pluies acides, nuisibles aux écosystèmes tels que les forêts et les lacs. Selon le
New York Times, « La Chine va supplanter les États-Unis en tant que premier émetteur de CO2
d’ici à 2009 » [25]. Les émissions d’oxydes d’azote et de dioxyde de soufre sont 8 à 9 fois plus
élevées que dans les pays développés[26].
Les conséquences de la pollution atmosphérique sur la santé des Chinois sont dramatiques : on
estime qu'elle est responsable de 358 000 décès et 640 000 hospitalisations en 2004[27].
En tant que pays émergent, la République Populaire de Chine n'est pas contrainte à respecter le
protocole de Kyoto. Pourtant, le pays est affecté par le réchauffement global de la Terre : 80 %
des glaciers de l'Himalaya se sont réduits, ce qui a des conséquences sur les cours d'eau qui
naissent dans ces montagnes et coulent en Chine. En 2006, le Sichuan a connu une grave
sécheresse.
Union européenne
L'Union européenne a enregistré une amélioration nette et globale pour le dioxyde de soufre, le
plomb et le monoxyde de carbone (émissions divisées par deux de 1995 à 2004, alors que les
PM-10 chutaient de 44% de 1990 à 2004). Cependant le Benzène (qui a pour partie remplacé le
plomb de l'essence) pose problème, de même que les pics d'ozone qui ne diminuent pas en dépit
d'une baisse des émissions de précurseurs d’ozone (- 36% de 1990 à 2004).
Hormis pour les pesticides, ce sont les urbains qui sont le plus exposés, surtout dans le Benelux,
la Pologne, la République tchèque, la Hongrie, la vallée du Pô (Italie) et le sud de l’Espagne.
(20% à 30% des urbains de l'UE-25 sont potentiellement exposés à des taux d'au moins 3
polluants (dioxyde d’azote, PM-10, et ozone) dépassant les normes européennes. Les PM-10
seraient selon l'UE globalement responsable d'une une perte d’espérance de vie de 9 mois (pour
les européens de l’UE-25).
43
Des progrès sont localement constatés en matière d'acidification et eutrophisation, mais en 2004
15% des écosystèmes naturel ou semi-naturel de l’UE-25 étaient concernés par des retombées
acides critiques, surtout à cause des retombées de nitrates et ammoniac issus de l’agriculture et
d'oxydes émis par les véhicules et chaudières ou cheminées. l'UE estimait en 2007 que 47% de
ses espaces d’écosystèmes naturels ou semi-naturels étaient en 2004 soumis à une eutrophisation
induite par la pollution azotée de l'air. «Air pollution in Europe 1990-2004», Rapport n°2/2007
de l'Agence européenne de l'environnement (EEA).
Pollution des villes

La ville de Téhéran en Iran est l'une des plus polluées du monde : en novembre 2006, la
pollution de l'air dans la capitale iranienne aurait fait 3 600 morts, essentiellement par
crise cardiaque[28]. La mauvaise qualité de l'air est due au nombre important de voitures
vétustes dans l'agglomération.
44

Chimie Environnementale - African Virtual University

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La pollution atmosphérique régionale: enjeux et impacts