Cours 1 Chimie de L'atmosphère [PDF]

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MPTE 2

Cours de Chimie de l'atmosphère

Lassâad DASSI

L’atmosphère : composition et structure I. Définition L’atmosphère est l’air ou l’enveloppe gazeuse qui entoure la Terre solide. Il permet la respiration et le cycle de l'eau. Il protège la vie sur Terre en absorbant le rayonnement solaire ultraviolet, en réchauffant la surface par la rétention de 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. 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.

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 TerreLune 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. II. Composition chimique de l’atmosphère La composition chimique de l’atmosphère a beaucoup varié selon les époques. Les gaz de l'atmosphère sont continuellement brassés (mélangé). L'atmosphère n'est pas homogène, tant par sa composition que par ses caractéristiques physiques. L'air est principalement composé de diazote (N2 : 78,09%) de dioxygène (O2: 20,95%), d'argon (Ar : 0,93%) et de dioxyde de carbone (CO2 : 0,035%) pour les gaz majeurs. Toutefois, il comporte aussi des traces d'autres éléments chimiques (Tab. 1). Ces gaz mineurs, dont la proportion varie avec l'altitude, sont essentiellement le Néon (Ne), l’Hélium (He), le Krypton (Kr), l’Hydrogène (H2), l’Xénon (Xe), le Méthane (CH4) et l’Oxyde d'Azote(N2O). 1

Tab. 1 : Composition chimique de l’atmosphère D'autres éléments d'origine naturelle sont présents en plus faible quantité, dont la poussière, le pollen et les spores ainsi que des virus, bactéries. De très nombreux polluants et aérosols d'origine industrielle, urbaine et agricole sont aussi présents dans l'air. Ce sont notamment du CO, du chlore (élémentaire ou surtout composés), du fluor (composés), du mercure et du soufre (en composé tel que le SO2). Les régions agricoles sont aussi sources de méthane (fermentation des lisiers, rizières), de pesticides (plus ou moins soluble dans l'air ou dans l'humidité de l'air selon leur tension de vapeur, d'azote (issu des engrais). Fusées et avions polluent aussi l'atmosphère par leurs trainées. La concentration des composants minoritaires, et en particulier les polluants, est très hétérogène sur la surface du globe, car des sources d'émission très locales existent, soit liées à l'activité humaine (usines, air intérieur ou extérieur, etc.) soit à des processus naturels (géothermie, décomposition de matières organiques, etc.). D'autres constituants montrent de grandes variations en fonction de l'altitude, la latitude, l'activité humaine, les saisons. C'est le cas de l'eau, uniquement présente dans les couches basses (troposphère), des composés soufrés et du dioxyde de carbone provenant des oxydations. En haute altitude, les gaz les plus légers augmentent en quantité relative. L'argon de l'atmosphère est sous forme d'isotope 2

40Ar

alors que c'est l'isotope 36 que

l'on

trouve

dans

l'espace.

L'argon

de

l'atmosphère

provient

de

la

désintégration radioactive du Potassium. Connaissant la masse totale du potassium

dans

désintégration du

le 40K

globe,

ses

rapports

isotopiques,

la

période

de

et la masse de l'argon, on a pu dater l'âge de

l'atmosphère. La faible quantité d'hélium, généré cependant en grande quantité par la désintégration de l'uranium, est expliquée par la grande diffusion de ce gaz léger qui gagne les hautes couches et s'échappe dans l'espace. La même raison explique la rareté de l'hydrogène. L'azote terrestre est surtout contenu dans l'atmosphère (près de 90%). Le reste est fixé dans les sédiments marins et dans l'eau de mer en particulier sous forme d'ammoniaque. Le passage de l'azote atmosphérique à l'azote combiné dans les sédiments se fait par l'intermédiaire des bactéries (nitrates, amino-acides, ammoniaque...) Le cycle biogéochimique de l'azote est complexe; il dépend surtout du potentiel redox et des micro-organismes (nitrification, dénitrification, fixation de l'azote atmosphérique...). On admet maintenant que l'oxygène atmosphérique représente un sous-produit de la photosynthèse. Ce sont des organismes chlorophylliens qui, dès le Précambrien (- 3 milliards d'années), ont utilisé l'énergie des photons pour combiner le CO2 et l'H2O en matière organique avec dégagement d'O2. L'oxydation de la matière organique, notamment au cours de la respiration, libère de nouveau le gaz carbonique et l'eau. L'équilibre entre ces deux processus conditionne la teneur de l'atmosphère en oxygène et en gaz carbonique. Depuis une centaine d'année, l'utilisation croissante des combustibles fossiles et accessoirement le déboisement ont produit une augmentation régulière de la teneur en CO2 dans l'air et contribué à l'effet de serre (augmentation de la température moyenne par plus grande absorption des radiations solaires). Le cycle du carbone dépend de l'action des organismes (respiration, photosynthèse, fixation sous forme de carbonates...) et des émanations volcaniques. L'action du CO2 atmosphérique s'ajoute à celle de la vapeur d'eau pour absorber l'énergie des infrarouges. La teneur

3

atteint actuellement 360 ppm; on estime que le doublement de la teneur en CO2 entraînerait un réchauffement de 4,5°C. L'ozone est réparti dans la stratosphère (90%) et dans la troposphère (10%). Dans la stratosphère, il est abondant vers 25 km; il provient de la photodissociation du di-oxygène. Il absorbe les U.V. Il est détruit notamment par les CFC (ou Fréons) et le Chlore. Dans la troposphère, il provient du transfert de la stratosphère et des activités humaines. Sa concentration a été multipliée par 4 depuis le début du siècle. C'est un gaz à effet de serre et fort pouvoir oxydant. III. Structure verticale de l’atmosphère C’est généralement la température qui sert de critère pour définir la structure verticale de l’atmosphère. Le profil vertical de température de l’atmosphère standard fait apparaître quatre couches distinctes à savoir la troposphère, la stratosphère, la mésosphère et la thermosphère. Celles-ci sont directement liées à l’existence de trois sources chaudes due à l’absorption du rayonnement solaire. La première source est la surface de la terre, la deuxième est la couche d’ozone (située à une altitude de 40 à 50 Km) et la troisième est l’oxygène moléculaire, O2 (située au dessus de 80 Km) (Fig. 1 et Fig. 2). (+) 50 Stratopause

40 Stratosphère 10

(+)

30 20

100

Tropopause

10 (-)

Troposphère 1000

-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Température (°C)

10 20 30

Fig. 1 : Principales enveloppes du globe terrestre 4

Alitude (Km)

Pression (hPa)

1

Mésosphère

III-1. Troposphère Cette couche contient plus que 80 % de la masse de l’atmosphère terrestre et quasiment tous ses corps solides en suspension : les aérosols (poussières, les fumées, les cendres, les sels et autres corps chimiques, les micro-organismes) et toute l'eau sous forme gazeuse, liquide et solide (vapeur d’eau des nuages et des précipitations, aiguilles de glace). Elle absorbe les radiations de grande longueur d'onde (infrarouges) émises par le soleil et par la Terre et évite la déperdition de chaleur vers l'espace. Elle est caractérisée par une décroissance de la température en fonction de l’altitude de 6,5 °C/Km qui entraîne une grande instabilité verticale des masses d’air et donc un brassage (mélange) permanant des constituants atmosphériques par

convection

quelconque).

(échanges

Ce

mélange

thermiques vertical

entre efficace

un est

fluide

et

un

responsable

corps d’une

homogénéisation de la composition chimique de la troposphère et du temps de résidence des aérosols relativement court (de quelques jours à quelques semaines). III-2. Stratosphère La stratosphère est la couche située au dessus de la troposphère. Elle est séparée de celle-ci par une zone de transition marquée par une inversion de la température et un changement net de la concentration de certains constituants en traces. Par exemple, contrairement à la troposphère, la stratosphère est riche en ozone (O3). Ce gaz absorbe la partie ultra-violette du rayonnement solaire conduisant ainsi à une température proche de 0°C au sommet de la stratosphère (stratopause située à 50 Km d’altitude). Le gradient positif de la température au niveau de la stratosphère tend à bloquer les échanges verticaux et conduit à une stratification verticale isolant les différentes altitudes. La stabilité au sens hydrostatique de la stratosphère permet aux aérosols qui s’y trouvent de séjourner longtemps, c’est le cas par exemple des poussières volcaniques et des débris d’explosion nucléaires en altitude. De même cette stabilité empêche les constituants troposphériques de pénétrer facilement à la stratosphère.

5

III-3. Mésosphère Cette couche qui séparée de la stratosphère par la stratopause est caractérisée par la rareté de constituants atmosphériques conduisant à une baisse considérable de la pression atmosphérique (1 mbar à las base et 10-2 mbar au sommet). Comme dans la troposphère, la température dans cette couche diminue avec l’altitude (0 à -90ºC), les mouvements verticaux peuvent être suffisants en été pour produire de fins nuages argentés permanents au dessus des régions polaires. III-4. Thermosphère Elle s’étend sur plusieurs centaines de Km (jusqu’à 500 km) pour rejoindre l’espace interplanétaire. Elle est caractérisée par une augmentation brutale de la température qui varie de 250 à 1200°C et dépend beaucoup de l’activité solaire.

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Météorologie et dynamique atmosphérique I. Introduction Des causes thermiques et des causes mécaniques sont à l’origine de mouvement

des

masses

d’aires

atmosphériques

qui

déterminent

la

circulation atmosphérique à l’échelle de la planète. Les causes thermiques sont en relation avec l’énergie provenant du soleil alors que les causes mécaniques sont en relation avec la rotation de la terre. II. Fondement thermique et circulation théorique Le soleil est la principale source d’énergie de la Terre. Une grande partie du rayonnement solaire est dans le domaine spectral “visible”, bien qu’il couvre aussi l’ultra-violet et le proche infrarouge. Un tiers du rayonnement solaire arrivant au sommet de la Terre est réfléchi par l’atmosphère, les nuages ou les surfaces. Le reste est absorbé et constitue le moteur de la machine climatique. Comme tous les corps, la Terre émet un rayonnement qui dépend de sa température, et se situe dans l’infrarouge dit thermique ou tellurique. Ainsi, la Terre est chauffée par un rayonnement essentiellement visible, et se refroidit par un rayonnement infrarouge. La différence entre la part du rayonnement incident absorbé par la terre et son atmosphère, qui réchauffe cet ensemble, et le rayonnement thermique réémis par cet ensemble vers l'espace est appelée le bilan radiatif (Fig. 2). Du point de vue énergétique, le système Terre-atmosphère est globalement en équilibre (le rayonnement infrarouge émis vers l'espace est compensé par le rayonnement solaire absorbé). Les pertes sont donc égales aux gains. Mais les différentes zones de ce système ne sont pas séparément en équilibre; le bilan radiatif montre de forts déséquilibres régionaux (Fig. 3): 

entre l'équateur et les Tropiques : les gains sont supérieurs aux pertes; le bilan radiatif est donc positif (+85 W/Km2).



des latitudes tempérées aux pôles, les pertes sont supérieures aux gains; le bilan radiatif est donc négatif (-100 W/Km2).

7

Fig. 2 : Distribution spatiale des échanges radiatifs à l’échelle du globe

Fig. 3 : répartition de l'énergie solaire de l'équateur aux pôles Ces déséquilibres régionaux sont principalement dus la différence de l’incidence des rayons reçus de l’astre lumineux qui dépend de l’angle de la surface

terrestre

exposée.

A

l’équateur,

les

rayons

frappent

l’aire

perpendiculairement à sa surface, ils ont toute leur puissance. A l’inverse et aux pôles, cet angle va en s’écartant, les rayons n’ont plus d’effet, ils sont de 8

plus en plus réfléchis vers l’espace (Fig. 4 et 5). Du fait de cette inclinaison de l’astre lumineux, la masse d'atmosphère traversée par le rayonnement solaire est d'autant plus petite que l'on s'éloigne des pôles et elle est minimale à l'équateur. L'énergie incidente est donc plus élevée à l'équateur qu'aux pôles. De même, les différentes parties (surface et atmosphère) de ce système ne sont pas séparément en équilibre : 

à la surface et quelque soit la latitude, les gains sont supérieurs aux pertes.



pour l'atmosphère, aux latitudes inférieures à 40° les gains sont supérieurs aux pertes alors qu'aux latitudes supérieures, c'est le contraire Or, en moyenne annuelle, la température est partout à peu près

constante. Il n’ya pas une augmentation de température continue dans les basses latitudes (zones équatoriales) et une diminution continue dans les hautes latitudes (zones polaires). Il est donc nécessaire que des transferts d'énergie s'effectuent : 

de l'équateur vers les pôles par une circulation méridienne permettant le transport d'énergie excédentaire des basses latitudes vers les zones polaires. Ce transport est réalisé par l'atmosphère (60%) et par les océans (40%) ;



de la surface vers l'atmosphère par les flux de chaleur sensible (convection) et par les flux de chaleur latente (évaporation-condensation)

Tout cela contribue aux mouvements de l'air atmosphérique et donc à la circulation générale.

9

Fig. 4 et 5 : Incidence des rayons de l’astre lumineux sur la surface terrestre Ainsi, les différences de température résultant des disparités entre les différentes latitudes constituent des gradients : la température varie à la fois horizontalement (elle diminue de l'équateur aux pôles) et verticalement (elle diminue de la base vers le sommet de l'atmosphère). Ces gradients de température sont à l'origine de mouvements de grande ampleur des masses d'air atmosphérique. En effet, les masses d'air se déplacent en fonction de la température et de la pression. Les masses d'air chaud ont tendance à monter (l’air chaud est moins dense que l’air froid) et produisent ainsi des dépressions au niveau du sol tandis que les masses d'air froid ont tendance à descendre (l’air froid est plus dense que l’air chaud) et à produire des hautes pressions au niveau du sol. Il en résulte l'établissement d’une grande cellule atmosphérique de convection au sein de laquelle les masses d'air circulent, en altitude, des hautes équatoriales vers les basses pressions

10

polaires et en surface des hautes pressions polaires vers les basses pressions équatoriales (Fig. 6).

Altitude

Cellule atmosphérique

BP

Compression

Dilatation

HP

BP T1

HP

Surface T1 > T2 P1 < P2

T2

Fig. 6 : Cellule atmosphérique de convection III. Fondement mécanique et circulation générale La circulation atmosphérique générale, qui intéresse la partie allant de zéro à 35 km d’altitude (troposphère et stratosphère), est la description des mouvements de l’atmosphère à grande échelle. Elle est caractérisée par une grande variabilité mais elle présente certains caractères permanents ou saisonniers. Cette circulation assure 70% à 80% du transfert de l'énergie entre les régions à bilan radiatif positif et celles à bilan radiatif négatif. Elle joue un rôle considérable dans le cycle de l'eau, assurant le transport d'énormes quantités de vapeur d'eau. Le déplacement des masses d'air conditionne le climat des diverses régions de la planète. III-1. Déviation par la force de Coriolis La Terre est une sphère qui tourne sur elle-même d’ouest en est. Cette rotation fait dévier les masses d’air partant des zones de haute pression (anticyclones) équatoriales vers les zones de basse pression (dépressions) polaires. Cette déviation à pour effet de faire tourner le vent dans le sens des aiguilles d’une montre (vers la droite) dans l'hémisphère nord. Tout ce passe comme si une force déviatrice agit sur les déplacements d’air pour les

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écartés de leur simple trajectoire rectiligne. Cette force est appelée force de Coriolis ou géostrophique (Fig. 7).

Fig. 7:: Déviation des vents par la force de Coriolis Si nous considérons l’hémisphère nord, nor théoriquement les vents sont de directions nord-sud sud au sol et sud-nord sud nord en altitude. La rotation de la terre modifie profondément ce schéma et complique la circulation méridienne qui assure l’équilibre thermique entre les différentes latitudes. Le courant nordsud au sol devient un courant d’est et le courant sud-nord sud nord en altitude devient un courant d’ouest. d’ouest En effet, lorsque les es particules d’air atteignent des latitudes d’environ 30°, leur vitesse devient telle qu’elles ne peuvent plus progresser vers ers les pôles : elles forment, forment en altitude, un immense couloir de vents orientés d’ouest en est, le courant-jet courant (courant d’ouest) d’ouest), celui que les pilotes empruntent dans la direction New York-Paris York Paris et évitent dans le sens inverse ! Le courant-jet jet surplombe toujours la zone de confrontation entre l’air chaud venu du sud et l’air froid du nord. Le courant-jet courant jet existe dans les deux hémisphères. Il est cependant beaucoup plus irrégulier et complexe dans l’hémisphère Nord que dans l’hémisphère Sud. Par contre, au niveau du sol, le courant nord-sud sud devient un courant d’est. d’est III-2.. Circulation zonale La a force de Coriolis due à la rotation de la Terre, les effets de frottement dus au relief, l'effet de la gravitation et les différences des répartitions des continents et des mers font de la circulation atmosphérique un phénomène extrêmement complexe. complexe L'ensemble de ces facteurs ne permettent pas l’existence de ce grand tourbillon unique et conduisant à la 12

fragmentation de la circulation générale. générale. Ainsi, la circulation des masses d’air s’organise en un schéma tri-cellulaire tri constitué de trois cellules de convection: la cellule équatoriale, équatoriale la cellule des latitudes moyennes et la cellule polaire (Fig. 8). Les différentes cellules ules sont disposées en bandes selon la répartition des pressions de différentes latitudes : c'est une organisation zonale.

Fig. 8 : Distribution istribution des pressions à la surface du globe et système des vents 13

III-2-1. Cellules équatoriales ou Cellules de Hadley En 1735, George Hadley, avocat anglais et météorologue amateur, a proposé les cellules de Hadley comme explication de la circulation fermée dans la région intertropicale (Fig. 9). Le mécanisme de formation de ces cellules montre qu’au niveau de l’équateur l’air chaut en surface est aspiré par le mouvement ascendant qui se produit. Ceci crée une zone de haute pression en altitude et une zone de basse pression en surface dite de Convergence Inter-Tropicale (CIT). Déviés par la force de Coriolis, les vents qui convergent vers l’équateur s’orientent vers l’ouest et donnent naissance aux alizés, vents de nord-est dans l’hémisphère nord et de sud-est dans l’hémisphère sud. Ces vents, également baptisés «vents du commerce» ou trade winds en anglais, soufflent assez régulièrement sous les tropiques, à une vitesse moyenne de l’ordre de 30 km par heure, et ont favorisé par le passé la navigation à voile et les échanges entre l’Europe et le Nouveau Monde. Entre les alizés de l’hémisphère nord et ceux de l’hémisphère sud, s’établit au contraire une zone de transition particulièrement calme, sans vents, qui a acquis une très mauvaise réputation parmi les navigateurs. Connue sous le nom de «pot au noir» en français ou de «cauchemars» en anglais (dol-drums), cette zone, vers laquelle convergent les alizés et où se produisent d’importants mouvements ascendants, est soumise à des conditions météorologiques dangereuses. En effet, l’air transporté par les vents alizés s’est chargé d’humidité pendant son trajet au-dessus des eaux chaudes tropicales; en s’élevant, il se refroidit brusquement et déverse des pluies diluviennes. L’énergie dégagée par la condensation entretient le mouvement ascendant et conduit au développement d’immenses cumulonimbus, véritables tours nuageuses qui peuvent atteindre plus de 10 km d’altitude et sont le plus souvent accompagnées d’un coup de vent en surface, voire de «trombes» d’eau. Le pot au noir, que les météorologues nomment la zone de convergence intertropicale, forme tout autour de la Terre une ceinture de nuages nettement visible sur les images satellitaires. Elle n’est pas localisée exactement à l’équateur géographique mais se trouve à quelques degrés de 14

latitude au nord ou au sud de l’équateur suivant la saison, au gré des changements de l’ensoleillement. Sur terre, elle alimente en eau les grandes forêts tropicales de l’Amazonie, de l’Afrique tropicale et de l’Indonésie. Quand les parcelles d'air chaud et humide atteignent la tropopause (limite entre la troposphère et la stratosphère), à environ 12 à 15 km d'altitude, elles ne peuvent monter plus haut ni rester à cet endroit à cause du flux constant venant des basses couches de l'atmosphère. Par conséquent, elles sont repoussées vers le nord ou le sud de l'équateur. En s'éloignant de l'équateur, la force de Coriolis augmente ce qui dévie les parcelles vers l'Est (du point de vue d'un observateur terrestre). En se déplaçant vers les Pôles, l'air se refroidit dans la troposphère (d’environ 1°C tous les 100 m) par déperdition des IR ce qui éventuellement le rend négativement instable et il commence à descendre autour de 30 à 35 degrés N et S où l'on retrouve la zone de calme subtropical aride (c'est la ceinture désertique de la planète) dominée par un anticyclone (haute pression). De nouveau, l'air venant de l'anticyclone se dirige vers l'équateur pour compléter le cycle. Contrastant avec l’intense activité convective des régions équatoriales, deux grandes bandes pratiquement dénuées de nuages encadrent la zone de convergence intertropicale. Situées au-dessus des grands déserts du monde, au Mexique, au Sahara, en Asie pour l’hémisphère nord, au Chili, en Namibie et en Australie pour l’hémisphère sud, ces régions marquent la présence de la branche descendante de la cellule de Hadley. Au sommet de la troposphère, l’air qui s’est déchargé de son humidité dans les cumulonimbus tropicaux s’écoule en altitude en direction des pôles dans chaque hémisphère. Lorsqu’il redescend vers 30° de latitude nord et sud, il est devenu sec et inhibe la formation des nuages et des pluies. Un minimum de précipitations s’établit dans ces régions, localisé non seulement au-dessus des déserts terrestres, mais également au-dessus des océans, comme en témoigne le climat aride de l’île de Pâques, dans le sud-est du Pacifique, ou celui des îles Canaries dans l’Atlantique. Ces régions de subsidence, où l’air

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redescend vers la surface, sont marquées au niveau du sol par une ceinture de hautes pressions subtropicales. Air équatorial supérieur

BP

Air équatorial supérieur

HP

BP

Pot au Noir

Cellule de Hadley

Cellule de Hadley

Alizés HP

HP

BP

CIT 30°S

Equateur Forêts tropicales

30°N

Fig. 9 : Coupe verticale de la cellule de Hadley III-2-2. Cellules de latitudes moyennes ou cellule de Ferrel Les cellules de Ferrel couvrent les latitudes moyennes entre 30 et 60 degrés. Elles sont nommées en hommage à William Ferrel (1817-1891) qui a cherché à décrire la circulation générale d'ouest qu'on y retrouve. C'est une circulation indirecte, contrairement aux cellules de Hadley et polaire. Dans les latitudes moyennes, on retrouve de l'air froid venant des Pôles par la cellule polaire et de l'air chaud venant de l'équateur par la cellule de Hadley. Ces deux types de masses d'air se rencontrent le long d'un ruban thermique plus ou moins continu et intense. Selon la direction des vents au sol, on assiste en certains points au resserrement de ce ruban et à une cyclogénèse dans le flux d'air pour créer des dépressions ce qui pousse l'air chaud vers les Pôles et l'air froid vers l'équateur. Dans ces systèmes, l'air chaud et humide rencontrant l'air plus froid doit s'élever non pas par convection mais par forçage dynamique ce qui crée un mouvement vertical synoptique ascendant aidé par la présence d'un courant-jet. Ce mouvement doit être compensé en amont et en aval par un mouvement vertical descendant. Ceci crée donc une succession d'anticyclones et de dépressions le long du ruban thermique. Les vents tournant dans le sens inverse dans 16

les dépressions et les anticyclones, les habitants des latitudes moyennes subissent donc un régime continuellement changeant des vents. III-2-3. Cellules polaires Les cellules polaires constituent un système identique aux cellules de Hadley. Même si l'air est plus sec et froid au nord/sud du 60ième parallèle, il peut subir une circulation fermée convective. Le parcours de l'air se passe sous 8 km car la tropopause n'y dépasse pas ce niveau. L'air descendant est très sec ce qui explique que les Pôles soient des déserts froids. Encore une fois, la force de Coriolis dévie l'air vers l'ouest et un observateur terrestre note des vents du nord-est dans l'hémisphère nord et du sud-est dans l'hémisphère sud. Les anticyclones semi-permanents sur la Sibérie, les îles arctiques et l'Antarctique sont une conséquence directe de la cellule polaire ce qui fait que le patron météorologique de ces régions est relativement stable contrairement aux dépressions à répétition qui affectent les latitudes moyennes. De plus, cela permet à des dômes très froids de se former donnant des records de basses températures d'y être rapportés (-89,2 °C à la station Vostok II en 1983 en Antarctique). La circulation polaire interagit avec le terrain pour donner des ondes harmoniques longues appelées ondes de Rossby. Ces dernières ont un rôle important dans la trajectoire du courant-jet polaire qui sépare la cellule polaire de celle de Ferrel. L'énergie solaire venant de l'équateur est transférée à la cellule polaire par ce mécanisme et peut finalement être distribuée jusqu'aux Pôles. IV. Phénomènes atmosphériques régionaux IV-1. La mousson : vent entre terres et mers Les effets associés à ce phénomène sont certainement les plus connus tant son influence se ressent à travers les continents. Ce nom est dérivé d'un mot arabe qui signifie "saison" et désigne, à l'origine, les vents de la mer d'Arabie qui soufflent du Nord-Est durant six mois et du Sud-Ouest les six autres mois. Cette appellation a été étendue et désigne aujourd'hui certains autres vents qui soufflent avec une grande persistance et une grande régularité à certaines époques de l'année. 17

Ces vents trouvent leur origine dans la différence saisonnière existant entre la température des mers et celle des terres. Ces vents sont analogues aux brises de mer (Fig. 10) et de terre (Fig. 11), mais leur période s'étend sur un an au lieu d'une journée, et ils soufflent sur de grandes régions au lieu de régions limitées.

Fig. 10 : Brise de mer se produisant

Fig. 11 : Brise de terre se produisant

durant le jour

Durant la nuit

Près de l'équateur, les changements saisonniers de la température sont en général trop faibles pour provoquer la formation de mousson. Aux hautes latitudes et dans les régions polaires, la composante du vent due aux contrastes entre température de la mer et température de la terre est tout juste suffisante pour modifier très légèrement la circulation générale. Les régions les plus favorables au développement de la mousson sont les latitudes moyennes près des Tropiques. Ainsi, ce phénomène est le plus remarqué dans l’océan indien et la région du sud-est Asiatique (Fig. 12). Durant l’été, quand le rayonnement solaire réchauffe le continent et l’océan, l’air sus-jacent est réchauffé par conduction. Or, la terre se réchauffe plus rapidement que l’océan, l’air plus chaud se lève donc au dessus du continent et il est remplacé par l’air frais venu de l’océan et transportant de l’humidité évaporée à partir de l’océan. Quand l’air humide arrive vers le continent, il se lève également et sa vapeur d’eau se condense donnant lieu à l’importante précipitation sur le continent. 18

La circulation du vent de la mousson est déviée par la rotation de la terre à travers la force de Coriolis qui fait dévier les vents vers la droite dans l’hémisphère

nord.

Ainsi

les

vents

de

la

mousson

d’été

soufflent

principalement de Sud-Ouest. Avec l’arrivée de l’hiver, la terre ainsi que l’océan perdent de la chaleur par rayonnement vers l’espace. Du fait que l’océan a la propriété de conserver plus longtemps les calories qu’il emmagasine pendant l’été, le vent froid et sec soufflera du continent vers l’océan. A cause de la rotation de la terre les vents de la mousson d’hiver soufflent à partir du Nord-Est.

Fig. 12 : Vent de la mousson du Sud-est Asiatique IV-2. Les phénomènes El Niño et La Niña IV-2-1. La Niña La Niña (la petite fille en Espagnol) appelée aussi anti-Niño, est un est un phénomène climatique qui se traduit par l’apparition d’un anticyclone au milieu du pacifique (Fig. 13) conduisant à une diminution de la température à la surface des eaux de l'est de l'océan Pacifique, autour de l'équateur (Fig. 14).

19

Fig. 13 : Localisation du phénomène de la Nina

Fig. 14 : Anomalies de températures à la surface des océans (en °C) lors d’El Niño en 1997 En temps normal, l'océan Pacifique, le plus grand réservoir d'eau du monde, emmagasine d'énormes quantités d'énergie solaire. Les côtes du Chili, du Pérou et de l'Équateur sont balayées par les alizés maritimes, qui soufflent du sud-est vers le nord-ouest vers l'Indonésie et le nord de l'Australie au. Ces derniers chassent les eaux chaudes superficielles résiduelles du rivage et provoquent une montée de 30 à 70 cm du niveau de l'eau dans le Pacifique occidental et une baisse équivalente dans le Pacifique Est. Ce qui engendre donc une remontée des eaux plus profondes (environ 200 mètres) et froides (qui viennent compenser ce déficit sur les côtes d'Amérique latine, c’est le phénomène connu comme upwelling en anglais. 20

Cet apport d'eau froide lors de La Niña est clairement visible sur les tracés des thermoclines qui atteignent la surface parfois durant des mois (Fig. 15).

Fig. 15 : Mécanisme normale de la circulation équatoriale du Pacifique, La Nina Les eaux froides venant d’une profondeur de 100 à 200 m, sont riches en gaz carbonique et en éléments nutritifs (potassium, magnésium, etc.). Elles permettent un fort développement planctonique qui attire les poissons faisant du Pérou et du Chili les plus grands producteurs du monde. Entre temps, les alizés, chargés en vapeur d'eau, engendrent d'abondantes précipitations lors de leur ascension au-dessus de l'Indonésie (jusqu'à 7 m de précipitations par an), alors que de l'autre côté du Pacifique, dans les Andes et les hauts plateaux du Pérou sévit la sécheresse. IV-2-2. El Niño El Niño (le petit garçon en espagnol, et par extension "l'Enfant Jésus" car il apparaît peu après Noël), désigne à l'origine un courant côtier saisonnier chaud au large du Pérou et de l'Équateur mettant fin à la saison de pêche. Le terme désigne maintenant par extension le phénomène climatique particulier, différent du climat usuel, qui se caractérise par des températures anormalement élevées de l'eau dans la partie est de l'océan Pacifique sud, représentant une extension vers le sud du courant chaud péruvien. Il a été relié à un cycle de variation de la pression atmosphérique globale entre l'est et l'ouest du Pacifique que l'on nomme l'oscillation

21

australe et l'on unit souvent les deux sous le titre d’ENSO (El Niño-Southern Oscillation). El Niño est une conséquence régionale d'une perturbation dans la circulation atmosphérique générale. Sans que l’on soit encore capable d’expliquer toutes les relations physiques, El Niño fait partie des anomalies dans la circulation qui peuvent dérouter les cyclones tropicaux de leurs routes habituelles, déplacer les zones de précipitations et de sécheresse ainsi que changer localement le niveau de la mer par le changement de la pression moyenne. Cependant, les relations entre ces effets sont moins claires à mesure que l'on s'éloigne du bassin Pacifique. Le phénomène El Nino commence dès que les alizés faiblissent. Il peut donc être relié à un affaiblissement temporaire, et très prononcé, de l'anticyclone présent au milieu du pacifique. Les eaux « chaudes » du Pacifique Ouest envahissent celles du pacifique Est dont le niveau est plus bas si bien que le contraste thermique entre l'Ouest et l'Est s'atténue et le mécanisme d'upwelling s'arrête (Fig. 16).

Fig. 16 : Mécanisme anormal de la circulation équatoriale du Pacifique, El Nino Les hautes pressions tropicales diminuent et les alizés faiblissent encore plus. Les cumulo-nimbus s'installent alors au large de l'Amérique Latine. D'importantes précipitations s'abattent sur la côte ouest du Pérou, 22

tandis que l'Indonésie s'assèche. Le phénomène énomène s'amplifie de lui lui-même. Les alizés peuvent même s'inverser et souffler alors vers l'Est. Cette situation dure entre 14 et 18 mois. Les côtes du Pérou perdent leurs poissons et la pêche est sinistrée. Passé ce délai, les eaux froides se propagent ve vers l'ouest, c'est alors la fin du phénomène et le retour à la norme, La Nina. L’apparition d’El Niño déplace les zones de précipitations vers l'est dans l’océan Pacifique et empêche la remontée d'eau froide le long de la côte de l’Amérique du Sud, ce qui coupe la source de nutriments pour la faune de ces eaux et y nuit considérablement à l’industrie de la pêche (Fig. 17).

Fig. 17 : Comparaison entre les phénomènes d’El Nino et la Nina

23

Substances ubstances de la pollution atmosphérique I. Introduction Les différentes substances ont des durée de vie dans l’atmosphère qui sont extrêmement ent variables, ce qui explique que les problèmes de pollution se situent sur des différentes échelles de temps et d’espace très variables. Voici l’ordre de grandeur de la durée de vie dans l’atmosphère de quelques polluants : Les polluants primaires sont les polluants que l’on trouve à l’endroit de l’émission.

Tab. 2 : Durée de vie indicative de certaines substances polluantes dans l’atmosphère Par exemple, le CO est un polluant primaire. Les polluants secondaires sont des polluants qui ne sont pas émis, mais qui résultent de la transformation physico-chimique chimique des polluants primaires au cours de leur séjour dans l’atmosphère. Par exemple, l’ozone résulte de réactions chimiques chimiques impliquant notamment les oxydes d’azote et les COV (composé organiques volatiles) volatiles). Il est possible de réaliser un inventaire d’émission pour les polluants primaires, mais pas pour les polluants secondaires. Le choix de la substance dépend généralementt des objectifs de l’inventaire d’émission et/ou des impacts que l’on souhaite étudier. L’inventaire peut être fait en masse de substance, ou en indicateurs. Dans ce dernier cas, la masse de substance a été convertie en fonction de son potentiel d’effet. Par ar exemple, une quantité de CH4 peut être ramené à une quantité d’équivalent CO2, moyennant un facteur de conversion exprimant la nuisance relative d’un kg de CH4 par rapport à celle d’un kg de CO2. La notion d’indicateur permet ainsi 24

d’additionner des substances diverses pour en étudier plus facilement l’impact. Les substances faisant l’objet de surveillance, notamment via la réalisation régulière d’inventaires d’émission sont très nombreuses. Une liste des substances les plus couramment évoquées dans les problèmes de pollution atmosphérique est proposée dans ce qui suit. Cette liste n’est pas exhaustive

et

évolue

régulièrement

en

fonction

des

connaissances

scientifiques liées à la pollution atmosphérique et à ses effets. La liste des polluants est donnée par famille : la notion de famille recouvre soit des caractéristiques

physico-chimiques

précises

(COV,

PM :

matières

particulaires), soit elle correspond à une réglementation particulière, ou encore elles sont parfois regroupées en fonction de leur effet. II. Polluants réglementés Sept polluants sont actuellement réglementés et font l’objet de mesures continues dans l’air réalisées par les associations de surveillance de la qualité de l’air. – le dioxyde de soufre : SO2 – le monoxyde de carbone : CO – le dioxyde d’azote : NO2 – l’ozone : O3 – les particules (PM10) – le benzène : C6H6 – le plomb : Pb Prochainement, d’autres substances vont s’ajouter à la liste : – les hydrocarbures aromatiques polycycliques : 6 (HAP) – le cadmium : Cd – l’arsenic : As – le nickel : Ni – le mercure : Hg III. Composés organiques III-1. Composés Organiques Volatiles (COV) Les COV regroupent une multitude de substances et ne correspondent pas à une définition très rigoureuse. Les hydrocarbures appartiennent aux COV et fait souvent l’amalgame à tort. Ceci est sans doute dû au fait que l’on 25

exprime souvent les COV en hydrocarbures totaux (notés HC), en équivalent méthane ou propane, ou par rapport à un autre hydrocarbure de référence. Il est fréquent de distinguer séparément le méthane (CH4) qui est un COV particulier, naturellement présent dans l’air, des autres COV pour lesquels on emploie alors la notation COVNM (Composés Organiques Volatils Non Méthaniques). Les grandes familles de composés organiques volatiles : Parmi les composés organiques volatiles, on peut distinguer différentes familles de COV : – les alcanes (saturés, abondants, par exemple propane) – les alcènes (liaison doubles, très réactifs) – les diènes et les terpènes (multiples doubles liaisons) – les aromatiques mono ou polycycliques (assez abondants et réactifs, par exemple, benzène, toluène ...) – les composés oxygénés (aldéhydes, cétones, esters, alcool ...). – les aromatiques mono ou polycycliques (assez abondants et réactifs, par exemple, benzène, toluène ...). Parmi les aromatiques, les hydrocarbures aromatiques polycycliques HAP constituent un groupe particulier en raison de leurs caractéristiques chimiques et toxicologiques (cancérigènes) et ils font l’objet d’une surveillance particulière du fait de leur dangerosité: ces composés sont très nombreux et les plus courants sont : fluoranthène, benzo(b)

fluoranthène,

benzo(k)

fluoranthène,

benzo(a)-

pyrène,

benzo(ghi)perylène, indeno (1,2,3- cd) pyrène (liste des 6 HAP prioritaires définie par l’U.E. et l’O.M.S.). On considère également souvent : naphtalène, acenaphtylène,

fluorène,

phénantrène,

anthracène,

pyrène,

benzo-

(a)anthracène, chrysène, dibenzo(ah) anthracène (ajouté aux 6 prioritaires), ils forment la liste des 16 HAP formée par l’EPA. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ont été déclarés des substances toxiques car ils répondent aux critères de persistance, de bioaccumulation et de toxicité définis par divers organismes internationaux. Les HAP proviennent de sources naturelles et anthropiques. Il s’agit d’un groupe de 100 substances chimiques différentes qui sont produites pendant la combustion incomplète de charbon, de pétrole et de gaz, de bois, de déchets et d’autres 26

substances organiques. On les trouve généralement sous forme de nombreux composés mélangés, dans des matériaux comme la suie. Les HAP s’introduisent dans l’environnement pendant la phase gazeuse ou agglutinés à des particules, principalement la suie. Dans l’air ambiant, 25 % des HAP adhèrent à des particules et 75 % se présentent sous forme gazeuse, à l’exception des substances provenant des alumineries où le ratio est de 5050. Les HAP sont aussi généralement concentrés près de sources ponctuelles spécifiques et leurs concentrations semblent diminuer rapidement à mesure qu’ils s’éloignent de leur source. Les sources de COV sont très nombreuses, les émissions sont dues à certains procédés industriels impliquant la mise en œuvre de solvants (chimie de base et chimie fine, parachimie, dégraissage des métaux, application de peinture, imprimerie, colles et adhésifs, caoutchouc, etc...), ou n’impliquant pas de solvants (raffinage du pétrole, utilisation de CFC, production

de

boissons

alcoolisées,

de

pain,

etc.).

L’utilisation

de

combustibles dans des foyers contribue un peu aux émissions mais sans aucune comparaison avec les proportions indiquées pour SO2 et NOx. On retrouve au premier rang des émetteurs les transports (surtout automobiles). On notera également que la biomasse est fortement émettrice (forêts), sans oublier non plus les émissions liées aux produits domestiques (peinture, produits d’entretien, parfums et cosmétiques, journaux, tabac, etc.). III-2. Produits Organiques Persistants (POP) Il existe douze composés organiques toxiques à basse concentration. Ce

sont

des

résidus

industriels

souvent

toxiques,

mutagènes

et

cancérigènes, qui interfèrent avec notre système hormonal et sexuel. La liste la plus communément admise est la suivante : Trichloréthylène (TRI), Trichloroéthane (TCE), Tetrachloroéthylène (PER), Dioxines et furanes (Diox), Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP), Polychlorobiphényls (PCB) et Hexachlorobenzène (HCB). Ils sont semi-volatiles et circulent plus ou moins bien dans l’air, en fonction de la température de celui-ci : dans les endroits froids, leur volatilité est réduite et ils se concentrent donc dans les régions tempérées et polaires. Ils sont lipophiles (faible solubilité dans l’eau mais forte dans les graisses), avec attirance forte pour les tissus adipeux où 27

ils se concentrent généralement (forte bioaccumulation). Ils ont également une durée de vie très longue (persistance dans le milieu). Les sources potentielles de rejets des HAP sont : – la combustion de déchets de bois et d’écorces par les chaudières industrielles ; – les chaudières industrielles au gaz, au charbon, au pétrole et aux déchets pétroliers ; – les centrales électriques, les fours électriques à arc ; – le reformage catalytique pétrolier ; – la fabrication de bardeaux d’asphalte, les usines de préparation d’enrobé à chaud ; – les fonderies de métaux ferreux, les fours à coke, les usines de pâtes et papiers, les alumineries; – la production de noir de carbone ; – la préservation du bois ; – les incinérateurs. Les HAP sont naturellement présents dans le pétrole brut et ils le demeurent dans les produits raffinés. Mais ils sont également rejetés par des sources naturelles : les feux de forêt, qui libèrent près de 2 000 tonnes de HAP par an, sont sans doute la plus grande source naturelle de HAP. Cependant, ces rejets étant généralement très éloignés dans le temps et dans l’espace, ils n’entraînent pas de risque d’exposition continue. Le dépôt atmosphérique provenant de sources à l’extérieur des pays constitue une autre voie d’entrée significative. III-3. Métaux lourds Les métaux lourds désignent en général les métaux dont le poids atomique est supérieur à celui du fer. Ces métaux sont parfois également désignés par le terme de métaux traces ou d’éléments traces métalliques. On considère en général les métaux lourds suivants : Arsenic (As), Cadmium (Cd), Chrome (Cr), Cuivre (Cu), Mercure (Hg), Nickel (Ni), Plomb (Pb), Sélénium (Se), Zinc (Zn). Chaque métal possède des caractéristiques et un impact propre. Néanmoins, on distingue en particulier :

28

– Mercure : le mercure est le seul métal liquide à température ambiante. Il se combine très aisément avec d’autres composés et a une volatilité importante. Pour le mercure métallique (inorganique), on le retrouve sous forme gazeuse, liquide ou ionique. Mais le mercure peut également se combiner avec du gaz carbonique et on parle alors de mercure organique. Le mercure est très sensible à l’acidité du milieu. Il est extrêmement toxique et a des effets sur le système nerveux. La volatilité importante du mercure en fait un polluant important dans les études de pollution transfrontière. – Plomb : Une source importante des émissions de plomb dans l’atmosphère a été le transport car le plomb a été pendant longtemps additionné à l’essence du fait de son pouvoir antidétonant. De ce fait, il contamine souvent les terrains en bordures d’axes routiers. Depuis l’interdiction du plomb dans les carburants (en 2000, pour la France), les rejets de plomb ont considérablement chuté et les concentrations en plomb sont considérées maintenant comme étant à des niveaux acceptables. L’ingestion de plomb déclenche le saturnisme. – Cadmium : il provient surtout de l’incinération des déchets, ainsi que de procédés industriels (métallurgie..). Il a des effets sur le système respiratoire et gastro-intestinaux. Ces 3 métaux se distinguent des autres métaux souvent considérés comme des oligo-éléments pouvant être utiles. Les premiers sont tous très toxiques (effets sur le système nerveux) et ont une durée de vie très grande et une conductivité électrique élevée. Les métaux ne posent pas seulement un problème pour la pollution de l’air, mais aussi pour celle de l’eau et des sols. IV. Particules Les particules regroupent également une variété importante de substances. Le terme de particules désigne en général la fraction des composants (liquides ou solides) en suspension dans le milieu gazeux. Souvent, les particules sont classées en fonction de leur granulométrie : Particules en suspension (TSP) : masse totale de particules. PM10 : masse des particules dont le diamètre aérodynamique moyen est inférieur à 10 μm.

29

PM2.5 : masse des particules dont le diamètre aérodynamique moyen est inférieur à 2.5 μm. PM1.0 : masse des particules dont le diamètre aérodynamique moyen est inférieur à 1 μm. Ultrafines : particules dont le diamètre aérodynamique moyen est inférieur à 0.1 μm. Nanoparticules : particules de diamètre aérodynamique moyen inférieur à 0.05 ou 0.03 μm. La composition chimique des particules est également un paramètre très important pour les études de pollutions atmosphériques. V. Chlorofluorocarbones Les chlorofluorocarbones ou les CFCs (également connus sous le nom de Fréons) sont nontoxiques, ininflammables et non-cancérogènes. Ils contiennent des atomes de fluor, des atomes de carbone et des atomes de chlore. Les 5 CFCs principaux incluent le CFC-11 (trichlorofluorométhane -

CFCl3),

CFC-12

(dichlorodifluorométhane

-

CF2Cl2),

CFC-113

(trichlorotrifluoroéthane -C2F3Cl3), CFC-114 (dichlorotétrafluoroéthane C2F4Cl2), et CFC-115 (chloropentafluoroéthane - C2F5Cl). Les CFCs sont largement répandus comme liquides réfrigérants dans la réfrigération et les climatiseurs, comme dissolvants dans les décapants, en particulier pour les cartes électroniques, en tant qu’agents de soufflage dans la production de mousse (par exemple extincteurs), et comme propulseurs en aérosols. Leur durée de vie dans l’atmosphère varie de 20 à plusieurs centaines d’années. A l’heure actuelle, les CFC ne constituent plus un problème majeur de la pollution atmosphérique (voir ci-après).

30

Impact de la pollution atmosphérique

I. Introduction Les impacts de la pollution conditionnent la plupart du temps le choix des substances retenues dans un inventaire. L’échelle géographique pertinente pour analyser les phénomènes de pollution de l’air va du très local (par exemple odeurs, effets des particules, du benzène, ... sur la santé) à l’échelle mondiale (par exemple effet de serre, couche d’ozone), en passant par des phénomènes régionaux ou continentaux (pluies acides ou pollution photochimique). On classe souvent les effets en fonction de l’échelle qui les concerne. II. Effet de serre et changement climatique: échelle mondiale II-1. Changement climatique Plus personne n’ignore la problématique du changement climatique. Beaucoup d’entres nous peuvent percevoir ses effets. Can icule en été, hiver sans neige, dérèglement du climat (”il n’y a plus de saisons”), inondations dans un coin de l’Europe tandis qu’un autre subit de terribles sécheresses, le changement climatique se manifeste sous des formes diverses. Au-delà du climat, ses conséquences sont bien plus complexes. Le réchauffement de l’eau et la fonte des glaces font monter le niveau des mers, ce qui met en péril de nombreux archipels et terres basses, comme les PaysBas ou le Bangladesh. Le 21ème siècle sera peut-être le premier à voir l’apparition de « réfugiés climatiques ». Si les prédictions les plus noires se réalisent, des nations archipels, comme les Maldives, pourraient être rayés de

la

carte.

Les

conséquences

géopolitiques

seraient

énormes.

Ces

bouleversements climatiques perturbent la faune et la flore, dont la répartition géographique tend à se déplacer vers le nord. Ces changements impactent l’agriculture, la santé, l’économie. Ils font vaciller les modèles de sociétés engendrés par l’économie de marché. Les plus optimistes comptent pour la science afin de trouver les parades. Mais ira-t-elle assez vite, surtout lorsqu’on observe le boom économique des pays émergents comme la Chine, l’Inde et le Brésil, qui représentent à eux 3 environ 40% de la population mondiale? Que se 31

passera-t-il quand la Chine sera un pays développé comme les États-Unis, qui en 2007 rejetaient 5 fois plus de CO2 par habitant que la Chine? Outre les progrès technologiques, certains insistent sur le besoin de revoir entièrement nos modes d’organisation sociétale. Le gaspillage et la surconsommation doivent être limités, tandis qu’il faut limiter les transports inutiles de marchandises (par exemple des produits faisant un aller-retour entre 2 sites de production pour passer par 2 étapes de transformation). Changement-climatique.fr n’étant pas guidé par une idéologie, nous aborderons également la polémique en cours concernant la responsabilité de l’homme, ainsi que la remise en question de l’impartialité du Giec (groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat) par certains scientifiques, qui contestent l’exactitude des chiffres ainsi que certaines méthodologies. L’objectif de Changement climatique n’est pas de tomber dans un catastrophisme

alarmiste,

mais

de

faire

un

bref

point

sur

cette

problématique, tout en rappelant que quelles que soit les conclusions concernant les causes exactes du changement climatique, adopter une énergie renouvelable comme par exemple l’installation d’un panneau photovoltaïque ou d’une éolienne ne peut être que positif : nous n’aurons pas à nous priver de notre confort moderne, tout en suivant un principe sage permettant d’éviter bien des ennuis : le principe de précaution. La Terre, depuis ses origines, a toujours connu des changements cycliques de climat, les périodes glacières alternant avec des périodes plus chaudes. On sait que ces cycles durent à peu près 100 000 ans. En étudiant des carottes de glace, qui contiennent des gaz fournissant aux scientifiques des indications sur le climat de l’époque. Les carottes extraites à grande profondeur nous renseignent sur le climat d’il y a 800 000 ans. Tout ceci n’est donc pas neuf, la Terre a déjà été dépourvue de calottes glacières. Mais alors, qu’est-ce qui cloche ? On constate que l’augmentation de la température moyenne ne cesse de s’accélérer, à des rythmes méconnus.

32

La multiplication des catastrophes naturelles provoquées par la météo (ouragans, inondations, etc.) est une autre manifestation du changement climatique. L’élévation du niveau de la mer en conséquence de la fonte des glaces en est une autre. Vu que ces phénomènes n’ont jamais été observés auparavant, les scientifiques se sont alors penchés sur l’activité humaine afin de trouver les causes de ce phénomène inédit. Il s’agit probablement d’une combinaison de nombreux facteurs, le défi étant d’être capable de comprendre quel est le degré de responsabilité de chaque cause. La pollution est citée en premier, notamment à cause de l’émission de plus en plus importante de gaz à effets de serre. C’est quoi au juste ? Il s’agit d’un gaz absorbant le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre. Cela fonctionne comme le vitrage d’une serre : ils laissent rentrer le rayonnement solaire mais l’empêchent de ressortir, ce qui entraîne une augmentation de la température de l’atmosphère. Le plus connu est le CO2, mais citons aussi le méthane ou l’ozone troposphérique. Les CFC, utilisés dans les appareils produisant du froid (frigos, climatiseurs, etc.), sont aussi problématiques. II-2. Effet de serre La température moyenne de notre planète résulte de l’équilibre entre le flux de rayonnement qui lui parvient du soleil et le flux de rayonnement infrarouge renvoyé vers l’espace. L'effet de serre est un processus naturel qui, par une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas des corps du Système solaire) ou d'autres étoiles (dans le cas général), contribue à augmenter la température de surface par rapport à une situation «sans effet de serre» (corps noir). La répartition de la température au niveau du sol dépend de la quantité de gaz à effet de serre (GES) présents dans l’atmosphère. Sans eux, la température moyenne serait de -18°C et la terre serait inhabitable. Leur présence amène cette température à 15°C. II-2-1. Principe Le principe de l'effet de serre est que l'atmosphère laisse passer des rayonnements solaires (de jour seulement), que le sol absorbe et réémet vers le haut (de jour comme de nuit) sous forme d'autres rayonnements qui sont 33

cette fois absorbés par l'atmosphère, ce qui la réchauffe et la fait renvoyer vers le sol une partie de l'énergie qui s'en échappait, contribuant à réduire la perte de chaleur donc à augmenter la température du sol. Cette expression est une généralisation de l'explication la plus connue du phénomène qui permet aux serres de maintenir les cultures à une température plus élevée ; son usage courant s'est étendu dans le cadre de la popularisation du thème du réchauffement climatique. L'«effet de serre» met l'accent sur l'atmosphère, et spécialement sur son contenu en gaz à effet de serre (GES), dont une augmentation de la concentration participe à ce réchauffement. Cependant, de même que l'efficacité des serres ne s'explique paradoxalement quasiment pas par leur effet de piège à rayonnement, l'effet de serre n'explique pas à lui seul la température terrestre : il faut aussi tenir compte des apports solaires, de l'albedo, des effets des océans (70% de la surface terrestre) donc du cycle de l'eau, de l'alternance jour-nuit, etc. II-2-2. Mécanisme Lorsque le rayonnement solaire atteint l'atmosphère terrestre, une partie (environ 30%) est directement réfléchie, c'est-à-dire renvoyée vers l'espace, par l'air, les nuages blancs et la surface claire de la Terre (on pense évidemment

aux

régions

blanches

et

glacées

comme

l'Arctique

et

l'Antarctique, mais il ne faut pas en surestimer le rôle : leur position aux pôles fait qu'elles reçoivent peu d'énergie solaire) ; l'albédo est la mesure de cet effet de miroir. Les rayons incidents qui n'ont pas été réfléchis vers l'espace sont absorbés par l'atmosphère (20,7%) et la surface terrestre (51%). Cette dernière partie du rayonnement absorbée par la surface du sol lui apporte de la chaleur qu'elle restitue à son tour, le jour comme la nuit, en direction de l'atmosphère. Le transfert de chaleur entre la Terre et l'atmosphère se fait, conformément au deuxième principe de la thermodynamique, du chaud (la terre) vers le froid (l'atmosphère) ; il se fait par convection (réchauffement et humidification de l'air au contact du sol puis ascension de cet air et libération de la chaleur latente de la vapeur d'eau lorsqu'elle se condense en nuages) et sous forme de rayonnements infrarouges lointains (dans la plage 8-13μm principalement, correspondant au «rayonnement du corps noir» 34

pour la température du sol). L'effet de serre ne s'intéresse qu'à ces rayonnements, qui seront absorbés en partie par les gaz à effet de serre, ce qui contribue à réchauffer l'atmosphère. Puis dans un troisième temps, cette chaleur contenue par l'atmosphère est réémise dans toutes les directions ; une partie s'échappe vers l'espace, mais une autre partie retourne vers la Terre et vient en déduction de l'apport de chaleur de la surface vers l'atmosphère, donc s'oppose au refroidissement de la surface. Sans effet de serre (ce qui implique notamment : sans vapeur d'eau et sans nuages), et à albédo constant, la température moyenne sur Terre chuterait à -18°C. Mais à cette température la glace s'étendrait sur le globe, l'albédo

terrestre

augmenterait,

et

la

température

se

stabiliserait

vraisemblablement en dessous de -50°C II-2-3. Gaz à « effet de serre » Les gaz à effet de serre sont des composants gazeux de l'atmosphère qui contribuent à l'effet de serre (sans perdre de vue que l'atmosphère contient d'autres composants non gazeux qui contribuent à l'effet de serre, comme les gouttes d'eau des nuages sur Terre). Ces gaz ont pour caractéristique commune d'absorber une partie des infrarouges émis par la surface de la Terre. Les

principaux

gaz

responsables

de

l’effet

de

serre

d’origine

anthropique sont le gaz carbonique (CO2), le méthane (CH4), l’oxyde nitreux (ou protoxyde d'azote N2O), l’ozone troposphérique (O3), les fluorocarbones chlorés (CFC) et les HCFC (comme le fréon), gaz de synthèse responsables de l’attaque de la couche d’ozone, ainsi que les substituts des CFC : HFC, PFC et SF6.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------L'albédo du système Terre-Atmosphère est la fraction de l'énergie solaire qui est réfléchie vers l'espace. Sa valeur est comprise entre 0 et 1. Plus une surface est réfléchissante, plus son albédo est élevé. Les éléments qui contribuent le plus à l'albédo de la Terre sont : les nuages, les surfaces de neige et de glace et les aérosols. Par exemple, l'albédo de la neige fraîche est de 0,87, ce qui signifie que 87 % de l'énergie solaire est réfléchie par ce type de neige.

35

Contributions approximatives à l'effet de serre des principaux gaz, d'après le GIEC3 : * vapeur d'eau 'eau : 60 % * dioxyde de carbone : 26 % * ozone troposphérique: troposphérique 8 % * méthane et oxyde nitreux : 6 % Les gaz à effet de serre sont naturellement très peu abondants. Mais du fait de l’activité humaine, la concentration de ces gaz dans l’atmosphère s’est sensiblement modifiée : ainsi, la concentration en C02, principal GES, a augmenté de 30% depuis l’ère préindustrielle. Les effets combinés de tous les GES équivalent aujourd’hui à une augmentation de 50% de CO2 depuis cette période. »

Fig. 18 : mécanisme de l’effet de serre

36

Fig. 19 : Absorption et dispersion de principaux GES II-2-4. Effets des activités humaines La plupart des gaz à effet de serre (GES) sont d'origine naturelle. Mais certains d'entre eux sont uniquement dus à l'activité humaine ou bien voient leur concentration dans l'atmosphère augmenter en raison de cette activité. C'est le cas en particulier de l'ozone (O3), du dioxyde de carbone (CO2) et du méthane (CH4). La preuve que l'augmentation du CO2 atmosphérique est d'origine humaine se faitt par analyse isotopique. Par contre, ce dernier gaz rejeté dans l'atmosphère ne participe que pour 40 % à l'effet de serre additionnel provenant de l'activité humaine. 37

L'ozone est fourni en grande quantité par l'activité industrielle humaine, alors que les CFC encore largement utilisés détruisent eux, l'ozone, ce qui fait que l'on peut constater un double phénomène : * une accumulation d'ozone dans la troposphère au-dessus des régions industrielles ; * une destruction de l'ozone dans la stratosphère au-dessus des pôles. La combustion des carbones fossiles comme le charbon, le lignite, le pétrole ou le gaz naturel (méthane) rejette du CO2 en grande quantité dans l'atmosphère : la concentration atmosphérique de gaz carbonique a ainsi légèrement augmenté, passant de 0,030 % à 0,038 % en 50 ans. Un des secteurs d'activités qui dégagent le plus de gaz à effet de serre est l'énergie : à ce sujet, voir l'article énergie et effet de serre. Ces combustibles augmentent, de plus, la concentration de gaz à effet de serre, car ils étaient enfouis dans le sol depuis des milliers d'années ce qui a rompu l'équilibre. Il s'agit d'un ajout additionnel de gaz carbonique dans l'atmosphère qui n'est pas non plus complètement compensé par une assez grande absorption : seule la moitié serait recyclée par la nature ; l'autre moitié resterait dans l'atmosphère et augmenterait l'effet de serre La seconde cause d'émission de gaz à effet de serre est la déforestation, qui est responsable à elle seule de 20 % des émissions mondiales. Les déboisements les plus importants concernent les trois grandes forêts tropicales que sont la forêt amazonienne, la forêt du bassin du Congo, et la forêt indonésienne. Il s'agit d'une des plus grandes causes, car tout le carbone absorbé par ces arbres est rediffusé dans l'air. S'il y avait replantation, cette quantité de dioxyde de carbone serait réabsorbée par un autre arbre, mais sans replantation, alors il n'y a qu'un ajout de la quantité de ce gaz dans l'air. Les activités humaines dégagent donc une abondance de GES : les scientifiques du GIEC qui étudient le climat estiment que l'augmentation des teneurs en gaz d'origine anthropique est à l'origine d'un réchauffement climatique. En France, selon le groupe Facteur, les émissions de gaz à effet de serre proviennent des transports pour 26 %, suivis de l’industrie (22 %), de 38

l’agriculture (19%), des bâtiments et habitations (19%), de la production et de la transformation de l’énergie (13%), et du traitement des déchets (3%). Depuis 1990, les émissions ont augmenté de plus de 20% pour les transports et les bâtiments. En revanche, elles ont diminué de 22% dans l’industrie, de 10% dans le secteur agricole, de 9% dans le secteur de l’énergie et de 8% pour le traitement des déchets II-2-5. Hypothèse de l'emballement de l'effet de serre On craint au pire le déclenchement d'un effet « boule de neige » (rétroaction positive), où le réchauffement conduirait à un réchauffement encore accru, via la disparition des glaces (réduction de l'albédo) et surtout la libération de stocks naturels de GES actuellement fixés par le pergélisol (sous-sol gelé en permanence), les hydrates de méthane marins (composé d'origine organique naturellement présent dans les fonds marins, ainsi que dans le pergélisol des régions polaires), ou encore la biomasse. Si cela se produit, les réactions ne se terminent qu'après avoir produit une grande augmentation de la température : cela s'appelle un emballement de l'effet de serre (runaway greenhouse effect ‫)ﺗﺳﺎرع او اﺣﺗدام‬. II-2-6. Conséquences pour l'environnement L'effet de serre n'est pas en soi nocif aux écosystèmes ; sans lui, la Terre ne serait qu'une boule de glace où la vie ne serait pas possible, car il n'y aurait pas d'eau liquide. Le danger pour les écosystèmes réside plutôt dans la variation trop rapide et trop importante des conditions climatiques pour que la plupart des espèces dites évoluées puissent s'adapter en cas de changements de température et de pluviométrie. Des écosystèmes marins et littoraux pourraient également être touchés par une hausse du niveau de la mer et des modifications des courants marins et des conditions physicochimique de l'eau de mer (acidité, taux de gaz dissouts...). Les populations humaines seraient évidemment touchées par le réchauffement climatique. En effet, une hausse des températures aide à la prolifération des maladies infectieuses puisque celles-ci survivent mieux dans des milieux chauds et humides. Le GIEC envisage, selon les scénarios, des augmentations de 1,5°C à 6°C pour le siècle à venir en supposant que l'augmentation des rejets de GES 39

continue au rythme des 20 dernières années (on n'a pas observé de ralentissement global des émissions, même depuis la signature du protocole de Kyoto par la plupart des pays). Un arrêt total et immédiat des rejets de carbone n'empêcherait cependant pas la température moyenne de la planète de continuer à augmenter pendant plusieurs dizaines à centaines d'années, car certains gaz à effet de serre ne disparaissent de l'atmosphère que très lentement. III. Destruction de la couche d’ozone : échelle mondiale III-1. Couche d’ozone La Couche d’ozone localisée dans la stratosphère filtre à l’extérieur les rayonnements dans la partie ultra-violette (UV) du spectre qui est préjudiciable aux cellules. Sans ozone, la vie sur Terre ne serait pas ce qu’elle est aujourd’hui. La découverte d’un trou dans la couche d’ozone audessus de l’Antarctique (le continent situé au Pôle Sud et entouré par l'océan Austral) et son association avec les CFCs synthétiques a amené le monde à agir pour protéger la couche d’ozone (protocole de Montréal en 1979). La destruction de la couche d’ozone se produit quand l’équilibre naturel entre la production et la destruction de l’ozone stratosphérique est incliné en faveur de la destruction. Bien que les phénomènes naturels puissent causer la perte provisoire de l’ozone, le chlore et le brome libérés des composés synthétiques tels que les CFCs sont maintenant considérés comme cause principale de cet amincissement. Les émissions de CFCs représentent environ 80% de l’amincissement total de l’ozone stratosphérique. Les autres substances responsables de la réduction de la couche d’ozone sont le tétrachlorure de carbone, le méthyle chloroforme, les halons (produits extincteurs), le bromure de méthyle, les HCFC (potentiels d’amoindrissement de la couche très inférieur aux CFC). C’est seulement à partir de la période 2000-2005

(protocole

de

Montréal

respecté)

que

l’on

voit

dans

la

stratosphère une diminution des produits responsables de la destruction de l’ozone. La diminution de la couche d’ozone devrait donc se poursuivre encore quelques années : d’après les modèles, le déficit d’ozone sous nos latitudes serait alors de 10% environ et ne pourrait pas être comblé avant une cinquantaine d’années. 40

Cette restauration de la couche d’ozone pourrait être retardée ou menacée si quelques pays, notamment les grands pays en développement (Chine,

Inde,

Brésil...),

ne

respectaient

pas

totalement

les

accords

internationaux de limitation imitation des produits chimiques incriminés. Néanmoins, la destruction de la couche d’ozone, compte tenu de la réduction des émissions de CFC, n’apparaît plus comme un problème environnemental prioritaire à l’heure actuelle.

Fig. 20 : Répartition verticale de l'ozone, entre 0 et 60 km, exprimée en unités Dobson/kilomètre La figure x montre que les rayonnements UV-b UV et UV-c,, dont les longueurs d'onde sont comprises entre 230 et 300 nm, nocifs pour la matière vivante, sont absorbés par les molécules d'ozone stratosphérique.

Fig. 21 : Evolution du trou d’Ozone entre 1979 et 2008 41

III-2. Destruction catalytique de l’ozone Un constituant chimique X est considéré comme catalyseur s’il contrôle ou induit une réaction ou un cycle de réactions chimiques sans qu’il disparaisse lui-même au cours de ce processus. Le cycle essentiel de destruction est induit à partir de la réaction entre l’ozone et le constituant X pour la production de l’oxyde (XO). X + O3 ----------------------------------- > XO + O2

(1)

Mais l’oxyde formé va réagir immédiatement avec l’oxygène atomique pour réformer instantanément le constituant X et produire une molécule O2 selon la réaction 2 : XO + O ----------------------------------- > X + O2

(2)

Le bilan de deux réactions (1) et (2) est : X + O3 + XO + O ------------------------ > XO + O2 + X + O2 D’où la réaction (3): O3 + O ----------------------------------- > O2 + O2

(3)

Ainsi, nous avons un cycle réactionnel qui aboutit à la destruction simultanée d’une molécule d’O3 et un atome d’oxygène pour reformer l’O2 moléculaire. Le constituant X ne fait qu’inciter le processus et se trouve régénérer à la fin et peut même induire d’autres d’où son rôle de catalyseur. D’autres cycles catalytiques conduisant à des réactions équivalentes existent mais cela se passe d’une manière indirecte. Par exemple, l’oxyde XO formé par la réaction (1) peut agir directement sur l’ozone selon la réaction : XO + O3 --------------------------------> X + O2 + O2

(4)

Le bilan de la réaction (4) et la réaction (1) sera donc : X + O3 + XO + O3 ------------------------ > XO + O2 + X + O2 + O2 D’où la réaction (5): 42

O3 + O3 ----------------------------------- > 3O2

(5)

A partir de là, il est évident que la libération renouvelée plusieurs fois du catalyseur X ne peut qu’engendrer de nouvelles réactions de destruction de l’ozone. On appelle longueur de la chaîne catalytique le nombre de fois où un tel catalyseur peut initier la destruction d’une molécule d’ozone. La destruction catalytique de l’O3 est engendrée par plusieurs catalyseurs. Pour certains catalyseurs, elle peut atteindre plusieurs milliers. Donc il suffit d’avoir un catalyseur minoritaire pour engendrer une destruction massive de l’ozone et par conséquent affecter l’équilibre naturel de l’ozone et des autres constituants atmosphériques. Pour cela la communauté internationale est appelée à mieux contrôler les dégagements des polluants atmosphériques même ceux dont la concentration est extrêmement faible parce que l’équilibre global peut en être totalement affecté de manière durable. IV. Eutrophisation et acidification: échelle régionale/continentale IV-1. Eutrophisation L’eutrophisation est due à un apport excessif en nutriments et en matières organiques biodégradables issus de l’activité humaine. Elle s’observe surtout dans les milieux aquatiques dont les eaux sont peu renouvelées. Stimulées par un apport substantiel en certains nutriments dont principalement le phosphore et l’azote, le phytoplancton et certaines plantes aquatiques croissent et se multiplient de manière excessive, ce qui conduit, lorsqu’elles se décomposent, à une augmentation de la charge naturelle de l’écosystème en matières organiques biodégradable. Les bactéries, qui dégradent cette matière organique, prolifèrent à leur tour, en appauvrissant de plus en plus l’oxygène de l’eau. IV-2. Pluies acides "Les pluies acides" est un terme utilisé pour décrire toute forme de précipitation acide (pluies, neige, grêles, brouillard). Le dioxyde de soufre et les oxydes d’azote sont les principales causes des pluies acides. Ces polluants s’oxydent dans l’air pour former de l’acide sulfurique et de l’acide nitrique, ou des sels. On les retrouve dans les nuages et les précipitations 43

parfois à des milliers de kilomètres de leur point d’émission, (pollution transfrontière à longue distance). Ceci concoure à des dépôts acides et à l’acidification accrue des pluies par rapport à celles résultant de la seule présence de gaz carbonique dans l’air (qui fait que le pH "naturel" d’une pluie est toujours acide, de l’ordre de 5,6). D’autres polluants peuvent contribuer aux pluies acides, notamment l’acide chlorhydrique émis, par incinération de certains déchets plastiques, ou l’ammoniac des activités agricoles. Les pluies acides modifient les équilibres chimiques des milieux récepteurs, en particulier lorsque ceux-ci sont déjà naturellement acides (pas d’effet tampon). Ceci peut se répercuter par des atteintes sur la faune et la flore aquatique, des carences nutritives engendrant des chutes de rendement et des lésions visibles chez les végétaux, ainsi que des jaunissements et la défoliation des arbres. Au cours des années 1970-1980 de nombreux massifs forestiers ont été touchés par des troubles et des dépérissements anormaux en Europe. En France,

jusqu’à

25%

des

arbres

pouvaient

être

considérés

comme

endommagés à des degrés divers dans certaines régions, notamment dans les Vosges. Il est admis que les retombées acides ont contribué à ces dommages, souvent en combinaison avec des facteurs de stress naturels (sécheresses, insectes pathogènes,....), et parfois de manière prédominante dans les régions d’Europe centrale particulièrement polluées en dioxyde de soufre. Les pluies acides ont perdu de l’importance, du moins dans nos régions, en raison des fortes réductions des rejets de SO2 mises en oeuvre à partir des années 1980. Certains bassins versants en Europe présentent toutefois une sensibilité élevée aux dépôts acides (cas en France des Ardennes, des Landes, du Massif Central,...). Ceci incite à la vigilance sur l’évolution

future

des

rejets

liés

aux

combustibles

fossiles

ou

à

l’intensification de certaines pratiques agricoles (émissions d’ammoniac). V- Pics d’ozone Les oxydes d’azote et les composés organiques volatils (COV) réagissent dans la troposphère, sous l’effet du rayonnement solaire, pour former des polluants photochimiques. Le principal polluant photochimique 44

est l’ozone. Sa présence s’accompagne d’autres espèces aux propriétés acides ou oxydantes telles que des aldéhydes, des composés organiques nitrés, de l’acide nitrique, de l’eau oxygénée. Cette pollution s’observe surtout en été dans les régions périurbaines et rurales sous le vent des agglomérations, et concourt à l’accroissement de la pollution de fond par l’ozone (en hausse d’environ 1% par an sur l’ensemble de l’hémisphère nord). L’ozone et les polluants photochimiques sont également des espèces phytotoxiques. L’ozone peut perturber la photosynthèse, altérer la résistance des végétaux, diminuer leur productivité, provoquer des lésions visibles (le tabac Bel W3 est parfois utilisé comme bio-indicateur d’ozone). L’ozone contribue également avec les dépôts acides et d’autres facteurs défavorables (sécheresses, pauvreté des sols, etc...) aux troubles forestiers observés en Europe et en Amérique du Nord. La pollution par l’ozone demeure préoccupante et chaque année, en période estivale, diverses régions subissent des situations de pointes de pollution photochimique au cours desquels des seuils jugés nocifs peuvent être atteints, voire dépassés, tant vis à vis de la santé de l’homme que des végétaux. De telles situations peuvent s’observer de 1 à 2 jours par semaine en été, notamment dans les régions très ensoleillées. La pollution à l’ozone (pics d’ozone) est liée à un excès d’ozone dans les couches basses de l’atmosphère. Cet excès est nuisible pour la santé des organismes vivants. Ce problème est à distinguer du trou dans la couche d’ozone qui correspond à un manque d’ozone dans les couches stratosphériques pour faire barrière aux rayonnements solaires. Les principales substances mises en relation avec les problèmes d’acidification, eutrophisation et photochimie sont : SO2, NOx, NH3, COVNM (dont spéciation plus de 200 composés), CO. Les substances

chimiques

sont

parfois

converties

en

unités

telles

que

indicateurs acide équivalent (Aeq) ou le potentiel de création d’ozone photochimique (PCOP).

45

L’atmosphère : composition et structure I. Définition II. Composition chimique de l’atmosphère III. Structure verticale de l’atmosphère III-1. Troposphère III-2. Stratosphère III-3. Mésosphère III-4. Thermosphère Météorologie et dynamique atmosphérique I. Introduction II. Fondement thermique et circulation théorique III. Fondement mécanique et circulation générale III-1. Déviation par la force de Coriolis III-2. Circulation zonale III-2-1. Cellules équatoriales ou Cellules de Hadley III-2-2. Cellules de latitudes moyennes ou cellule de Ferrel III-2-3. Cellules polaires IV. Phénomènes atmosphériques régionaux IV-1. La mousson : vent entre terres et mers IV-2. Phénomènes El Niño et La Niña IV-2-1. La Niña IV-2-2. El Niño Substances de la pollution atmosphérique I. Introduction II. Polluants réglementés III. Composés organiques III-1. Composés Organiques Volatiles (COV) III-2. Produits Organiques Persistants (POP) III-3. Métaux lourds IV. Particules 46

V. Chlorofluorocarbones Impact de la pollution atmosphérique I. Introduction II. Effet de serre et changement climatique: échelle mondiale II-1. Changement climatique II-2. Effet de serre II-2-1. Principe II-2-2. Mécanisme II-2-3. Gaz à « effet de serre II-2-4. Effets des activités humaines II-2-5. Hypothèse de l'emballement de l'effet de serre II-2-6. Conséquences pour l'environnement III. Destruction de la couche d’ozone : échelle mondiale III-1. Couche d’ozone III-2. Destruction catalytique de l’ozone IV. Eutrophisation et acidification: échelle régionale/continentale IV-1. Eutrophisation IV-2. Pluies acides V- Pics d’ozone

Liste des tableaux Tab. 1 : Composition chimique de l’atmosphère Tab. 2 : Durée de vie indicative de certaines substances polluantes dans l’atmosphère

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Liste des figures Fig. 1 : Principales enveloppes du globe terrestre Fig. 2 : Distribution spatiale des échanges radiatifs à l’échelle du globe Fig. 3 : répartition de l'énergie solaire de l'équateur aux pôles Fig. 4 et 5 : Incidence des rayons de l’astre lumineux sur la surface terrestre Fig. 6 : Cellule atmosphérique de convection Fig. 7: Déviation des vents par la force de Coriolis Fig. 8 : Distribution des pressions à la surface du globe et système des vents Fig. 9 : Coupe verticale de la cellule de Hadley Fig. 10 : Brise de mer se produisant durant le jour Fig. 11 : Brise de terre se produisant durant la nuit Fig. 12 : Vent de la mousson du Sud-est Asiatique Fig. 13 : Localisation du phénomène de la Nina Fig. 14 : Anomalies de températures à la surface des océans (en °C) lors d’El Niño en 1997 Fig. 15 : Mécanisme normale de la circulation équatoriale du Pacifique, La Nina Fig. 16 : Mécanisme anormal de la circulation équatoriale du Pacifique, El Nino Fig. 17 : Comparaison entre les phénomènes d’El Nino et la Nina Fig. 18 : mécanisme de l’effet de serre Fig. 19 : Absorption et dispersion de principaux GES Fig. 20 : Répartition verticale de l'ozone, entre 0 et 60 km, exprimée en unités Dobson/kilomètre Fig. 21 : Evolution du trou d’Ozone entre 1979 et 2008

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