Estimation des émissions des aérosols et de leurs impacts sur l’environnement

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Le nombre total de molécules étant n = nA + nB.

La nucléation homogène bimoléculaire se trouve être plus efficace que la nucléation homogène mono-moléculaire. L’exemple le plus connu dans l’atmosphère est celui du mélange eau/acide sulfurique. En présence de vapeur d’eau, l’acide sulfurique est très facilement hydraté et se trouve à plusieurs stades d’hydratation tels que H2SO4(H2O), H2SO4(H2O)2, H2SO4(H2O)n…Il en résulte que, même dans une atmosphère où l’humidité relative est inférieure à 100%, de très petits quantités d’acide sulfurique sont suffisantes pour induire la nucléation.

1.2.3 Estimation des émissions des aérosols et de leurs impacts sur

l’environnement

1.2.3.1 Estimation globale des émissions d’aérosols

De récentes modélisations ont estimé la quantité moyenne globale d’aérosols injectés dans l’atmosphère entre 1000 à 3000 Tg/an [Lunt et al., 2002, Tegen et al., 2002 et Tegen et al., 2009]. Les aérosols désertiques représentent environ un tiers des émissions totales annuelles des aérosols [Tegen et al., 1994, Luo et al., 2003].

Il faut savoir que les estimations de masse d’aérosols par modélisation ou observation satellitaire depuis 20 ans peuvent quadrupler d’une étude à l’autre. Ceci souligne, la difficulté de quantifier précisément les émissions de sable. A cette difficulté, viennent s’ajouter les aérosols désertiques d’origine anthropique (Tableau I.6).

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Tableau I.6 : Estimations des émissions annuelles globales des principaux aérosols, d’après [Andreae

et al., (1995)].

Source Flux estimé (Tg/an) ^{Durée de vie} _(jours) ^{Catégorie de} _particules AEROSOLS NATURELS

Aérosols primaires

Aérosols désertiques (minéral) 900-1500 4 Très grosses

Sels marins 2.300 1 Grosses

Poussières volcaniques 33 4 Grosses

Aérosols organiques 50 4 Grosses

Aérosols secondaires

Sulfates biogéniques 70 5 Fines

Sulfates (SO2 volcanique) 20 10 Fines

Carbone organique 20 5 Fines

AEROSOLS ANTHROPIQUES

Aérosols primaires

Aérosols désertiques (minéral) 0-600 4 Grosses et fines

Poussière industrielle 40 4 Très fines

Carbone suie 14 7 Fines

Carbone organique 54 6

Aérosols secondaires

Sulfate (dérive de SO2) 140 5 Fines

Aérosols organiques 20 7 Fines

1.2.3.2 Impact sur l’environnement

Figure I.16 : Photographie de la tempête de sable sur Phoenix (Arizona, USA) en 2001).

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Les aérosols minéraux sont d’importantes sources de fertilité dans les zones de retombées, grâce notamment au fer et au phosphore qu’ils contiennent [Johnson et al., 2010]. Ces dernières accentuent néanmoins le phénomène de désertification des zones sources.

Le dépôt de sables désertiques dans les océans cause aussi de sérieux bouleversements sur le système biogéochimique marin ainsi que sur le climat [Jickells et al., 2005]. En effet, ce dépôt de fer est très apprécié des organismes marins et notamment des micros algues. Il participe donc au développement de la flore marine qui absorbe par photosynthèse le CO2 présent dans l’atmosphère. Une prolifération de ces micros algues conduirait donc à une diminution de la concentration en CO2 dans l’atmosphère. Cette diminution réduirait l’effet de serre induisant ainsi un abaissement de la température.

De récentes études de modélisation ont montré que ces aérosols minéraux peuvent affecter de manière significative, selon leur composition et leur taille, le climat durant leur transport [Balkanski et al., 2007 ; Huneeus et al., 2010 ; Haywood et al. ,2000]. Cette perturbation a lieu suivant des effets communément appelés effets radiatifs directs et indirects [Stier et al., 2007].

- Effet radiatif direct : les aérosols peuvent réfléchir le rayonnement solaire entraînant ainsi un refroidissement local, nous parlerons de forçage radiatif² négatif. Lorsque ces aérosols absorbent les rayonnements infrarouges issus de la surface de la terre, ils participent au réchauffement climatique. On parlera ici de forçage radiatif positif.

- Effet radiatif indirect : cet effet est issu de l’interaction entre l’aérosol et les nuages. Les aérosols peuvent servir de noyaux de condensation. Il en ressort une hausse du nombre de gouttelettes d’eau à l’intérieur d’un nuage pollué par rapport à un nuage non pollué. Cette augmentation s’accompagne d’une diminution en taille de ces gouttelettes. Ceci implique d’une part, l’augmentation de l’albédo3 des nuages, favorisant un refroidissement local et d’autre part, la diminution en taille des gouttelettes d’eau, engendrant ainsi une augmentation de la durée de vie des nuages. Ceci sous-entend un retard des précipitations, un vieillissement de certains composés et donc une perturbation du cycle hydrologique.

2 Le forçage radiatif est un phénomène influençant l’équilibre énergétique de la planète. 3 Rapport de l’énergie solaire réfléchie par une surface à l’énergie solaire incidente.

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L’un des exemples d’effet radiatif indirect est les aérosols qui agissent comme des noyaux de condensation. Cette propriété va tendre à changer la durée de vie des nuages et former des l’acides nitrique et sulfurique dans le cas d’une adsorption de NO2 et SO2 respectivement [Kan.et al., 2010, Van Thriel et al., 2010].

Plus ces noyaux de condensation seront nombreux, plus la durée de vie du nuage sera importante. En effet, ces noyaux ralentissent la croissance des gouttelettes d’eau du nuage. Ce ralentissement implique aussi un retardement de la croissance de la densité du nuage et donc une augmentation de sa durée de vie (figure I.17).

Figure I.17 : Effet directe de la présence de noyaux de condensation sur la durée de vie des nuages.

Des études ont montré que les aérosols désertiques contribuent en moyenne pour plus de 60% à l’épaisseur optique dans les régions où les tempêtes de sables sont fréquentes, contre 15% dans les régions urbaines et seulement 10% dans l’hémisphère sud [Kinne et al., 2003].

L’impact environnemental reste cependant très difficile à quantifier pour les aérosols en général. En effet, une très grande incertitude persiste sur la contribution de ces aérosols dans le bilan radiatif global (figure I.18).

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Figure I.18 : Forçage radiatif pour quelques gaz atmosphériques, comparé à celui mesuré pour les

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1.3 Réactions entre les polluants gazeux et les aérosols dans