Pollution Atmosphérique [PDF]

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ÉCHELLES

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Pollution atmosphérique Concepts, théorie et applications Christian

Seigneur

41000855_p1_2.indd 1

20/12/2017 11:12

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TABLE

DES MATIÈRES

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Chapitre 1 B RÈVE HISTOIRE DE LA POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE . . . . . . . . . . 1.1 Considérations générales sur l’environnement atmosphérique . . . . . . 1.2 La pollution atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 6 7

Chapitre 2 É MISSIONS

DES POLLUANTS ATMOSPHÉRIQUES

.......................... Sources de pollution atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inventaires d’émissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Réduction des émissions polluantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11 11 15 19

Chapitre 3 M ÉTÉOROLOGIE : L A CIRCULATION GÉNÉRALE . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Considérations générales sur l’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Circulation atmosphérique générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Régimes météorologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37 37 44 49

Chapitre 4 M ÉTÉOROLOGIE : L A COUCHE LIMITE ATMOSPHÉRIQUE . . . . . . . . 4.1 Considérations générales sur la couche limite atmosphérique . . . . . . . 4.2 Mouvements verticaux des masses d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Vents et turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Flux de chaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Circulations locales : brises de mer et brises de montagne . . . . . . . . . . 4.6 Modélisation des champs météorologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57 57 58 63 72 77 80

ET TECHNOLOGIES DE DÉPOLLUTION

2.1 2.2 2.3

Chapitre 5 R AYONNEMENT ET VISIBILITÉ ATMOSPHÉRIQUE . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.1 Considérations générales sur le rayonnement atmosphérique . . . . . . . 84 5.2 Visibilité atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.3 Modélisation du rayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

Couverture : iStockphoto.com/NicoElNino Mise en page : Mohamed Houssni Schémas : Orou Mama Le code de la propriété intellectuelle n’autorise que « les copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective » [article L. 122-5] ; il autorise également les courtes citations effectuées dans un but d’exemple ou d’illustration. En revanche « toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle, sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite » [article L. 122-4]. La loi 95-4 du 3 janvier 1994 a confié au C.F.C. (Centre français de l’exploitation du droit de copie, 20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris), l’exclusivité de la gestion du droit de reprographie. Toute photocopie d’œuvres protégées, exécutée sans son accord préalable, constitue une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du Code pénal.

© Éditions Belin / Humensis, 2018

ISBN 978-2-41-000856-2

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Chapitre 6 D ISPERSION ATMOSPHÉRIQUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Considérations générales sur la dispersion atmosphérique . . . . . . . . . . 6.2 Représentation lagrangienne de la turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Représentation eulérienne de la turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Modèles lagrangiens de dispersion atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Modèles eulériens de dispersion atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 Modèles de rue canyon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 Modélisation du transport des polluants dans l’atmosphère . . . . . . . . . .

104 104 105 108 112 124 128 130

Chapitre 7 L A COUCHE D ’ OZONE STRATOSPHÉRIQUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Concepts fondamentaux de cinétique chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Chimie de la couche d’ozone stratosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Modélisation de la cinétique chimique atmosphérique . . . . . . . . . . . . . .

137 137 148 156

Chapitre 8 L ES POLLUANTS GAZEUX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1 Considérations générales sur les polluants gazeux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Pouvoir oxydant de l’atmosphère et réactivité chimique . . . . . . . . . . . . . 8.3 Chimie gazeuse de la pollution photochimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4 Mécanismes cinétiques de la pollution photochimique . . . . . . . . . . . . . . 8.5 Stratégies de réduction de la pollution photochimique . . . . . . . . . . . . . . 8.6 Modélisation de la chimie gazeuse de la pollution photochimique . . .

160 160 163 166 183 188 199

Chapitre 9 L ES PARTICULES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 Considérations générales sur les particules atmosphériques . . . . . . . . . 9.2 Dynamique des particules atmosphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Rappels de thermodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4 Fraction inorganique secondaire des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5 Fraction organique des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6 Stratégies de réduction des particules atmosphériques . . . . . . . . . . . . . . 9.7 Modélisation des particules atmosphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

206 206 208 219 220 222 233 241

Chapitre 10 N UAGES ET PLUIES ACIDES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 Considérations générales sur les nuages et brouillards . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Chimie de la phase aqueuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Transformations chimiques en phase aqueuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4 Stratégies de réduction des pluies acides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5 Modélisation de la chimie aqueuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

258 258 260 268 274 275

Chapitre 11 T RANSFERT

DES POLLUANTS ENTRE L’ ATMOSPHÈRE

ET LES SURFACES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Dépôts secs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Dépôts humides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Réémissions de polluants déposés sur les surfaces et émissions naturelles de particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4 Modélisation des dépôts et émissions atmosphériques . . . . . . . . . . . . . . .

279 279 289 295 303

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TABLE DES MATIÈRES

Chapitre 12 E FFETS SANITAIRES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 12.1 Identification et caractérisation des effets sanitaires . . . . . . . . . . . . . . . . 307 12.2 Évaluation quantitative des risques sanitaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 Chapitre 13 E FFETS ENVIRONNEMENTAUX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1 L’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2 Les pluies acides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3 Les polluants azotés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4 Les polluants organiques persistants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.5 Les métaux lourds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

326 326 328 331 332 334

Chapitre 14 C HANGEMENT CLIMATIQUE ET POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE . . 14.1 Considérations générales sur le changement climatique . . . . . . . . . . . . . 14.2 Effet de la pollution atmosphérique sur le changement climatique . . 14.3 Effets du changement climatique sur la pollution atmosphérique . . . .

343 343 348 349

Chapitre 15 R ÉGLEMENTATIONS ET POLITIQUES PUBLIQUES . . . . . . . . . . . . . . . 15.1 Réglementation des concentrations des polluants atmosphériques . . 15.2 Politiques publiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3 Réglementations des dépôts atmosphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

354 354 360 367

Liste des principaux symboles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378

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I NTRODUCTION

Cet ouvrage couvre un ensemble de cours donnés depuis 2009 à l’École des Ponts ParisTech (« Environnement atmosphérique et qualité de l’air », 2ème et 3ème année de la formation d’ingénieur) à l’Université Paris-Diderot (« Impacts et réglementations », « Modélisation de la pollution atmosphérique », M2 SGE AIR cohabilité par l’Université Paris-Est Créteil, l’Université Paris-Diderot et l’École des Ponts ParisTech), à l’École Centrale de Nantes (« Chimie atmosphérique », M1 STEU) et à l’Institut Mines-Télécom Atlantique de Nantes (« Dispersion atmosphérique », M1 PM3E). Cependant, le contenu a été augmenté afin que cet ouvrage puisse servir d’ouvrage de référence scientifique, aussi bien aux étudiants de Master et d’écoles d’ingénieurs, qu’aux doctorants et professionnels de la qualité de l’air. L’ouvrage traite de la pollution atmosphérique des sources aux impacts sanitaires et environnementaux. Les différents types de pollution atmosphérique abordés incluent les polluants gazeux, tels que l’ozone et le dioxyde d’azote, les particules, les pluies acides, les métaux lourds, tels que le mercure et le chrome, les polluants organiques persistants et les dépôts azotés eutrophisants. Les principales technologies de dépollution sont décrites, avec une importance particulière donnée aux émissions des véhicules. Les processus atmosphériques sont également présentés en détail. Ils incluent la dispersion des polluants, les transformations chimiques, la dynamique des particules et les dépôts de polluants sur les surfaces et les écosystèmes. L’analyse des impacts sanitaires est abordée plus particulièrement au regard de ses applications pour le développement de réglementations des principaux polluants atmosphériques. Les problématiques plus globales que sont la destruction de la couche d’ozone stratosphérique et le changement climatique sont décrites de manière plus succincte : l’accent est mis sur les interactions de ces phénomènes globaux avec la pollution atmosphérique. La pollution de l’air intérieur n’est pas abordée de manière spécifique, mais les phénomènes physico-chimiques traités ici pour l’air extérieur sont transposables à des situations en milieu confiné. Je tiens à remercier un grand nombre de collègues qui, à travers leurs relectures, discussions, préparations de figures et autres aides précieuses ont permis d’améliorer cet ouvrage. Parmi ces collègues, je remercie plus particulièrement, Karine Sartelet, Hadjira Foudhil-Schmitt, Bernard Aumont, Yelva Roustan, David Pollack, Geoffrey Sunshine, Luc Musson-Genon, Michel André, Julien Cattiaux, Bertrand Carissimo, Ève Lecœur, Laëtitia Thouron, Ruiwei Chen, Youngseob Kim, Hélène Marfaing, Véronique Ghersi, Robert W. Bergstrom et Carole Legorgeu. Par ailleurs, cet ouvrage a aussi bénéficié des nombreuses discussions et collaborations que j’ai pu avoir tout au long de ma carrière, aux Étas-Unis et en France, avec mes collègues, clients, doctorants et post-doctorants. Je tiens aussi à remercier mon éditrice aux éditions Belin, pour ses suggestions pertinentes et son excellent travail de coordination éditoriale. Néanmoins, s’ils restent quelques erreurs, omissions ou imprécisions, j’en assume bien sûr l’entière responsabilité.

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C HAPITRE

1 B RÈVE

HISTOIRE DE LA POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE

1.1. Considérations générales sur l’environnement atmosphérique L’atmosphère terrestre est composée principalement d’azote moléculaire (N2 à 78 %) et d’oxygène moléculaire (O2 à 21 %). Elle contient aussi beaucoup de vapeur d’eau (H2 O) qui varie en concentration (de l’ordre de 1 %) et qui, en état de sursaturation, conduit à la formation d’eau liquide (nuages ou brouillards), ou solide (nuages), selon la température. L’atmosphère contient aussi du dioxyde de carbone (CO2 ), à une concentration de l’ordre de 0,04 %. H2 O et CO2 sont des gaz qui absorbent le rayonnement dans l’infrarouge et, par conséquent, laissent passer le rayonnement solaire dans l’ultraviolet et le visible, mais absorbent en partie le rayonnement infrarouge qui est renvoyé par la Terre vers l’espace. Ce sont des « gaz à effet de serre » (GES). Sans eux, la température de l’atmosphère terrestre serait plus faible d’une trentaine de degrés Celsius en moyenne. Cependant, une augmentation de la concentration atmosphérique de ces GES peut perturber le climat et avoir de lourdes conséquences. Par ailleurs, le rayonnement solaire provoque une photolyse de l’oxygène moléculaire dans l’ultraviolet (UV), ce qui conduit à la formation d’atomes d’oxygène (O) et d’oxygène trimoléculaire (l’ozone, O3 ) dans la haute atmosphère. L’ozone absorbe une partie de ce rayonnement UV et protège donc la surface terrestre de certains de ces rayons UV qui peuvent être nocifs (risques de cancer de la peau par exemple). Par ailleurs, des espèces chimiques gazeuses ou sous forme de particules liquides ou solides en suspension dans l’air sont présentes dans l’atmosphère, soit naturellement, soit à cause des activités humaines (dites anthropiques). Certains de ces gaz ou particules peuvent avoir des effets néfastes sur la santé, sur les écosystèmes, sur le bâti et sur la visibilité atmosphérique. Ces gaz et particules sont alors considérés comme des polluants atmosphériques. Certaines espèces chimiques ne sont pas

Retrouver ce titre sur Numilog.com 1. BRÈVE HISTOIRE DE LA POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE

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forcément polluantes quand elles sont dans l’atmosphère, mais peuvent le devenir après leur dépôt atmosphérique, suite à des transformations dans d’autres milieux ou suite à leur bioaccumulation dans la chaîne alimentaire.

1.2. La pollution atmosphérique On peut distinguer plusieurs aspects de la perturbation de l’environnement atmosphérique. D’une part, certains phénomènes sont de nature globale étant donné la durée de vie très longue des espèces chimiques impliquées. C’est le cas notamment pour : – Le changement climatique dû aux GES ; – La destruction de la couche protectrice d’ozone stratosphérique. D’autre part, certains phénomènes concernent principalement la basse atmosphère et leurs impacts ont lieu à la surface de la Terre. On regroupe ces phénomènes sous le terme général de « pollution atmosphérique ». La pollution atmosphérique peut se produire à des échelles spatiales locales, régionales, voire globale et sur des durées qui peuvent être courtes (de l’ordre de l’heure), ou longues (de l’ordre de l’année). Certains polluants atmosphériques sont émis directement dans l’atmosphère, alors que d’autres sont formés dans l’atmosphère par des processus chimiques (réactions chimiques ou photochimiques) ou physiques (transformations de gaz en particules). On distingue donc : – Les polluants atmosphériques primaires, qui sont émis directement dans l’atmosphère ; – Les polluants atmosphériques secondaires, qui sont formés dans l’atmosphère à partir d’autres espèces chimiques, appelées précurseurs. Si tous les précurseurs de polluants secondaires ne sont pas eux-mêmes néfastes pour la santé ou l’environnement, ils sont cependant généralement considérés comme des polluants, car ils contribuent à la pollution atmosphérique. Comme mentionné ci-dessus, on peut distinguer les polluants atmosphériques dont les effets sont directement liés à leurs concentrations dans l’air, et ceux dont les effets résultent de leurs dépôts à la surface terrestre et de leur transport et transformation dans d’autres milieux que l’atmosphère (comme les eaux de surface, ou les sols). Historiquement, la pollution atmosphérique a débuté avec la découverte du feu : les produits de la combustion de la biomasse (bois et végétation) dans des lieux peu aérés provoquaient alors une pollution dont les concentrations pouvaient atteindre des niveaux néfastes pour la santé (Hardy et al., 2012). Plus récemment, c’est la révolution industrielle au 19ème siècle qui a conduit, avec la combustion de diverses sources de combustibles fossiles, à des émissions de polluants atmosphériques importantes. En particulier, la pollution de Londres aux 19ème et 20ème siècles devint particulièrement néfaste. Le pic de pollution le plus important qui ait été documenté est celui de l’hiver 1952 (Wilkins, 1954 ; Bell et al., 2004). L’atmosphère stagnante riche en dioxyde de soufre (SO2 ), en oxydes d’azote (NOx )

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POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE : CONCEPTS, THÉORIE ET APPLICATIONS

et en particules (entre autres de sulfate), fut très nocive et ce pic de pollution provoqua une augmentation du nombre de décès de plusieurs milliers. Cette pollution qui mélangeait les fumées (« smoke ») polluantes au brouillard (« fog ») londonien pris le nom de « smog ». Ce terme, qui est donc une contraction de « smoke » et « fog », fut introduit par Harold Antoine des Vœux, un membre de la Société pour la réduction des fumées de charbon (« Coal Smoke Abatement Society »), lors d’un congrès de l’Association médicale américaine à Londres (JAMA, 1905). Dans les années 1950, une nouvelle forme de pollution atmosphérique apparut dans le bassin de Los Angeles en Californie. L’utilisation de grosses voitures pour se déplacer dans une ville à l’aménagement très étalé ainsi que la présence d’industries (centrales électriques, raffineries, activités portuaires) sur la côte du Pacifique ont conduit à la formation de polluants secondaires tels que l’ozone, de composés organiques oxygénés tels que l’acroléine ainsi que de particules fines. Cette forme de pollution, qui résultait donc de réactions chimiques dans l’atmosphère, était plus importante en été, lorsque le rayonnement solaire est le plus intense. Arie Jan Haagen-Smit, professeur de biochimie au California Institute of Technology (Caltech), proposa en 1952 que c’était les émissions d’oxydes d’azote et de composés organiques volatils (COV) qui, en réagissant chimiquement en présence de rayonnement solaire, menaient à la formation d’ozone. En effet, certains photons du rayonnement solaire ont suffisamment d’énergie pour casser les liaisons de certaines molécules. Ce processus, appelé photolyse, crée ainsi des espèces chimiques particulièrement réactives qui peuvent alors initier une série de réactions chimiques conduisant à la formation des polluants cités ci-dessus. Cette forme de pollution fut donc appelée « smog photochimique », puisque le rayonnement solaire était nécessaire pour initier la photochimie (réactions chimiques impliquant la photolyse de molécules) de cette pollution. En 1962, l’écrivain Rachel Carson publia un livre, « Silent Spring » (Le printemps silencieux), qui alertait les lecteurs de l’effet néfaste des pesticides, tels que le DDT (dichlorodiphényltrichloroéthane), sur les oiseaux. Les études scientifiques qui ont suivi ont confirmé les effets nocifs de ces composés organiques chlorés, non seulement sur la faune aviaire, mais aussi sur d’autres animaux, ou sur les écosystèmes aquatiques. Elles ont aussi permis de mettre en évidence leur possible accumulation dans la chaîne alimentaire et enfin leurs effets néfastes sur l’Homme (cancérigènes entre autres). Depuis, ces polluants sont identifiés sous le terme de polluants organiques persistants, POP, car leur durée de vie dans l’environnement est très longue (de l’ordre de plusieurs années). Dans les années 1970, des dommages importants furent observés dans des forêts en Europe et en Amérique du Nord. Un rapport du ministère de l’Alimentation, de l’Agriculture et des Forêts de la République fédérale d’Allemagne estimait par exemple que plus de 30 % des forêts allemandes présentaient des signes plus ou moins importants de déclin (BELF, 1983). Ces observations suggérèrent la présence d’une autre forme de pollution. En effet, les dépôts atmosphériques d’espèces acides, telles que l’acide sulfurique (H2 SO4 ) et l’acide nitrique (HNO3 ), modifiaient de manière significative l’équilibre chimique des sols et des eaux de surface (Likens et Bormann, 1974 ; Likens et al., 1979). Résultat : des espèces nutritives et d’autres espèces toxiques pour la flore et la faune terrestre et aquatique étaient alors mobilisées. Cette forme de pollution fut appelée « pluies acides » car les apports de ces espèces acides étaient dus en partie à la pluie. En réalité, les

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dépôts secs et les précipitations neigeuses contribuent aussi à l’acidification des sols et des eaux de surface et le terme « dépôts acides » est scientifiquement plus correct. Dans les années 1950, la contamination des poissons par le mercure fut identifiée à Minamata, un village de pêcheurs sur l’île de Kyûshû au Japon, comme une source potentielle de maladies neurologiques chez les personnes consommant beaucoup de poisson (Smith et Smith, 1975). Dans les années 1990, le mercure d’origine atmosphérique a été identifié comme une source majeure de contamination de la faune aquatique. En effet, après son dépôt dans un écosystème, il peut y être transformé en mercure organique. Ce dernier peut alors s’accumuler dans la chaîne alimentaire aquatique jusqu’à atteindre des concentrations nocives pour l’Homme. Plus récemment, les particules diesel (qui contiennent entre autres du carbonesuie) ont été classées cancérigènes par le Centre international de la recherche sur le cancer (CIRC) de l’Organisation mondiale de la santé (OMS ; BenbrahimTallaa et al., 2012). Le CIRC a par la suite classé plus généralement la pollution atmosphérique comme cancérigène (Loomis et al., 2013). Certains polluants atmosphériques, tels que l’ozone, ont non seulement des effets sanitaires néfastes, mais aussi des effets sur la végétation qui peuvent se traduire en pertes économiques significatives pour l’agriculture (Rich, 1964). La pollution atmosphérique peut par ailleurs avoir des répercussions négatives sur l’esthétique. On peut citer par exemple la détérioration du bâti, d’une part par les espèces acides mentionnées plus haut – qui ont érodé certaines statues calcaires au fil des ans – et d’autre part par des particules de carbone-suie – qui souillent les bâtiments, statues et autres édifices – (Faugere et al., 1980). Les particules et certains gaz tels que le dioxyde d’azote (NO2 ) dégradent la visibilité atmosphérique, car le rayonnement solaire est en partie diffusé et/ou absorbé par ces polluants (Trijonis, 1979). Par conséquent, en présence de pollution atmosphérique (smog ou smog photochimique), on voit moins loin et les objets sont moins bien discernés à partir de certaines distances. Il ressort de ce bref aperçu de la pollution atmosphérique qu’elle comprend un grand nombre de polluants et des effets sanitaires et environnementaux néfastes et variés à diverses échelles spatiales et temporelles. L’objectif de cet ouvrage est d’expliquer en termes scientifiques simples, mais aussi fondamentaux et complets que possible, les processus qui conduisent à la pollution atmosphérique, d’identifier quelles en sont les sources principales et de décrire ses impacts sanitaires et environnementaux. Les solutions possibles aussi bien en termes de technologies de dépollution des sources que de réglementations et de politiques publiques sont également présentées.

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POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE : CONCEPTS, THÉORIE ET APPLICATIONS

B IBLIOGRAPHIE Benbrahim-Tallaa, L., R.A. Baan, Y. Grosse, B. Lauby-Secretan, F. El Ghissassi, V. Bouvard, N. Guha, D. Loomis, K. Straif, on behalf of the International Agency for Research on Cancer Monograph Working Group, 2012. Carcinogenicity of diesel-engine and gasoline-engine exhausts and some nitroarenes, Lancet Oncology, 13, 663-664. BELF, 1983. Neuartige Waldschäden in der Bundesrepublik, rapport du Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten, Bonn, Allemagne. Bell, M.L., D.L. Davis, T. Fletcher, 2004. A retrospective assessment of mortality from the London smog episode of 1952: the role of influenza and pollution. Environ. Health Perspect. 112, 6–8. Carson, R., 1962. Silent Spring, 380 pp., Houghton Mifflin Company, Boston, États-Unis. Faugere, J.G., J. Dufoir, J. Derion, 1980. Action des polluants atmosphériques sur les pierres en œuvre, Pollution atmosphérique, 86, 239-242. Haagen-Smit, A.J., 1952. Chemistry and physiology of Los Angeles smog, Ind. Eng. Chem., 44, 1342-1346. Hardy, K., S. Buckley, M.J. Collins, A. Estalrrich, D. Brothwell, L. Copeland, A. García-Tabernero, S. García-Vargas, M. de la Rasilla, C. Lalueza-Fox, R. Huguet, M. Bastir, D. Santamaría, M. Madella, J. Wilson, Á.F. Cortés, A. Rosas, 2012. Neanderthal medics ? Evidence for food, cooking, and medicinal plants entrapped in dental calculus, Naturwissenschaften, 99, 617. JAMA, 1905. Smog, J. Amer. Med. Assoc., 45, 637. Likens, G.E. et F.H. Bormann, 1974. Acid rain: a serious regional environmental problem, Science, 184, 1176-1179. Likens, G.E., R.F. Wright, J.N. Galloway, T.J. Butler, 1979. Acid rain, Scientific American, 241, 43-47. Loomis, D., Y. Grosse, B. Lauby-Secretan, F. El Ghissassi, V. Bouvard, L. Benbrahim-Tallaa, N. Guha, R. Baan, H. Mattock, K. Straif, on behalf of the International Agency for Research on Cancer Monograph Working Group, 2013. The carcinogenicity of outdoor air pollution, Lancet Oncology, 14, 1262-1263. Rich, S., 1964. Ozone damage to plants. Annual Rev. Phytopathology, 2, 253-266. Smith, W.E. et A.M. Smith, 1975. Minamata, Words and Photographs, Center for Creative Photography, Holt, Rhinehart & Winston, Californie, États-Unis. Trijonis, J., 1979. Visibility in the southwest—an exploration of the historical data base. Atmos. Environ., 13, 833-843. Wilkins, E.T., 1954. Air pollution aspects of the London fog of December 1952, Q. J. R. Meteor. Soc., 80, 267-271.

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C HAPITRE

2 É MISSIONS

DES POLLUANTS ATMOSPHÉRIQUES ET TECHNOLOGIES DE DÉPOLLUTION

La pollution atmosphérique est due à des émissions de polluants dans l’atmosphère, qu’elles soient naturelles ou liées aux activités humaines. Si l’on veut comprendre la pollution atmosphérique, il convient donc d’identifier, de caractériser et de quantifier ces émissions. Par ailleurs, réduire cette pollution atmosphérique demande soit d’éliminer certaines émissions à travers un changement de produit, de procédé ou de technologie, soit de réduire les émissions grâce à des technologies de dépollution. Ces différents aspects sont traités dans ce chapitre, qui décrit d’abord les sources de pollution atmosphérique, puis les méthodes utilisées pour construire des inventaires des émissions de polluants dans l’atmosphère et enfin les technologies qui peuvent être utilisées pour réduire ces émissions.

2.1. Sources de pollution atmosphérique Il convient tout d’abord de rappeler les définitions de polluants primaires et secondaires. Un polluant primaire est un polluant qui est émis directement dans l’atmosphère, alors qu’un polluant secondaire est formé par transformation chimique dans l’atmosphère, à partir d’autres espèces chimiques, que l’on nomme précurseurs (certains précurseurs peuvent aussi être des polluants primaires). Pour étudier la pollution atmosphérique il faut donc connaître non seulement les émissions des polluants primaires, mais aussi celles des précurseurs de polluants

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secondaires. La législation considère généralement les précurseurs de polluants secondaires comme faisant partie des polluants atmosphériques. C’est le cas par exemple aux États-Unis, (CFR, 2016) et en France (Code de l’Environnement, 2016). On fera donc référence aux « émissions de polluants atmosphériques » pour l’ensemble des polluants primaires et des précurseurs de polluants secondaires. Les polluants atmosphériques peuvent être émis par des sources anthropiques (c’est-à-dire liées aux activités humaines) et/ou par des sources naturelles. Des exemples de sources anthropiques sont les transports (routier, ferroviaire, aérien, maritime et fluvial), l’industrie (centrales électriques au charbon, au fioul et au gaz, sidérurgie, incinérateurs, raffineries), l’agriculture (élevage, utilisation d’engrais) et le secteur résidentiel, commercial et institutionnel (chauffage, utilisation de produits d’entretien). Des exemples de sources naturelles sont les émissions de composés organiques volatils (COV) provenant de la végétation et de composés azotés issus des sols, ou encore les émissions de poussières sous l’action du vent (érosion éolienne), les émissions des océans, les éruptions volcaniques, les sources géothermiques, la foudre (production d’oxydes d’azote) et les feux de forêts (ces derniers sont aussi en partie liés aux activités humaines). On peut distinguer quatre grandes catégories de processus conduisant à des émissions de polluants atmosphériques : la combustion, la volatilisation, certains processus mécaniques (abrasion, mise en suspension) et des processus naturels (métabolisme de la végétation, éruptions volcaniques).

2.1.1. La combustion La combustion peut être le résultat d’une activité anthropique (transport, production d’électricité, incinération de déchets, chauffage) ou d’un processus naturel (feux de forêts). La combustion conduit à une production de chaleur qui peut être convertie si besoin en une autre forme d’énergie (électrique, mécanique). Le processus de combustion implique la présence d’oxygène (grâce à l’air qui en contient 21 %) et de carbone (qui est le principal constituant des combustibles : charbon, essence, gazole, bois). Cette combustion a lieu à haute température, ce qui conduit à la dissociation de molécules d’oxygène (O2 ) et d’azote (N2 ), présentes dans l’air et à l’oxydation du carbone. La dissociation des molécules O2 et N2 produit des atomes d’oxygène (O) et d’azote (N), respectivement, et les réactions entre oxygène (O2 , O) et azote (N2 , N) conduisent à la formation d’oxydes d’azote (NOx ), principalement du monoxyde d’azote (NO), mais aussi une fraction (75 %) et des composés aromatiques (80 % d’arbres feuillus), des sesquiterpènes pour environ 3 % (issus d’arbres feuillus et de conifères), le 2-méthyl-3-butèn-2-ol (MBO) pour environ 0,2 % (issu de conifères) et d’autres COV tels que des alcools, aldéhydes, cétones, alcènes et acides carboxyliques pour le reste (Guenther et al., 2012). Les émissions naturelles de particules incluent l’érosion des terres (principalement les déserts) par le vent (Zender et al., 2003) et l’émission de sels marins via les vagues (Gong et al., 2002). Pour les sels marins, seules les particules fines sont incluses, car les particules grossières ont une durée de vie de l’ordre de seulement quelques heures et n’ont donc pas d’impact à longue distance. Les éruptions volcaniques sont aussi une source de particules, mais comme elles n’incluent pas d’émissions diffuses continues, elles ne sont pas incluses ici en raison de leur forte variabilité interannuelle. Ces inventaires globaux n’incluent pas les transformations chimiques qui ont lieu dans l’atmosphère et qui sont une source importante pour certains de ces polluants. Par exemple le sulfure de diméthyle (DMS) et le sulfure d’hydrogène (H2 S) sont oxydés en SO2 , les COV sont oxydés et forment éventuellement CO et une fraction importante des particules fines (PM2.5 ) est formée dans l’atmosphère à la suite de réactions chimiques qui impliquent SO2 , NO2 , des COV et NH3 . On note que pour les COV et les particules (PM10 et PM2.5 ) les sources naturelles dominent. Cependant, pour les COV, la spéciation chimique est importante (les COV diffèrent en termes de réactivité chimique et de toxicité), et, pour les particules, si elles sont actuellement réglementées en termes de masse et non de composition chimique, leur impact sanitaire pourrait dépendre de leur composition. Par ailleurs, les sources naturelles tendent à être réparties de manière diffuse à la surface du globe alors que les sources anthropiques sont généralement concentrées spatialement et proches des zones habitées. Ces émissions globales peuvent être évaluées pour certains polluants à partir de données satellitaires par modélisation numérique inverse. Ceci a pu être réalisé par exemple pour SO2 (Lee et al., 2011) et CO (Kopacz et al., 2010) et les estimations de leurs émissions globales ont ainsi été confirmées.

Retrouver ce titre sur Numilog.com 2. ÉMISSIONS DES POLLUANTS ATMOSPHÉRIQUES ET TECHNOLOGIES DE DÉPOLLUTION

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Tableau 2.1. Émissions globales annuelles des principaux polluants atmosphériques (Tg/an ; 1 Tg = 1012 g = 1 million de tonnes) (Sources : EC, 2016 ; Andreae et Marlet, 2001 ; Bates et al., 1992 ; Bouwman et al., 1997 ; Gong et al., 2002 ; Guenther et al., 2012 ; Khalil et Rasmussen, 1990 ; Logan, 1983). Sources

SO2

NOax

NH3

CO

COVb

PM10

PM2.5

Production d’électricité et de chaleur

49

31

0,1

6,5

0,7

4,9

3

Raffineries de pétrole

1,7

0,9

0,5

2,1