1.4.1 Impacts radiatifs et environnementaux
Figure I.9 – Effets des aérosols sur le rayonnement solaire.
Les aérosols ont un impact direct sur le système climatique en diffusant (refroidis- sant) et/ou en absorbant (réchauffement) le rayonnement solaire, ultra-violet (UV) et visible (VIS), et terrestre, infra-rouge (IR) (Fig. I.9). Le rayonnement solaire incident peut être diffusé, par réfléchissement, par réfraction, par diffraction et par réfraction, et/ou absorbé.
Les rayonnements UV et VIS ont une longueur d’onde comprise entre 380 nm et 750 nm et les processus physiques ayant lieu à cette échelle ont un impact radiatif direct (IRD). L’IRD dépend des propriétés optiques des aérosols qui sont fonction de leur taille, de leur composition chimique, de leur forme et de leur humidification. L’IRD global an- nuel est estimé entre -0,01 W.m−2 et -0,29 W.m−2 (Goto et al., 2008; O’Donnell et al., 2011). Localement, ce forçage négatif peut être plus fort notamment au niveau des fo- rêts tropicales (Rap et al., 2013). BC réchauffe localement l’atmosphère, par absorption dans le VIS, ce qui modifie le profil vertical de la température et de l’humidité et donc limite la formation de nuage ou évapore les nuages bas présents ; c’est l’effet radiatif semi-direct (Moosmueller et al., 2009). À l’exception de BC, le forçage radiatif direct est négatif puisque moins de rayonnement solaire parvient à la surface ce qui induit une diminution de la température en surface. Les aérosols agissent aussi de manière indirecte du fait de leur rôle de CCN (Fig. I.9). Cette dernière propriété influence la surface nuageuse et le taux des précipitations (Poschl, 2005; GIEC, 2014). En effet, une augmentation de CCN pour une même quantité de vapeur d’eau, implique une augmen-
tation du nombre de petites gouttelettes nuageuses et une surface d’eau plus grande, et donc un pouvoir réfléchissant plus grand : c’est le premier effet indirect (Twomey, 1977; Penner et al., 2001; Dusek et al., 2006). Des observations et la modélisation montrent que les COV favorisent la croissance de particules nouvellement formées par nucléation (Kulmala et al., 2004; Pierce et al., 2011; Riccobono et al., 2012) et favorisent l’acti- vation de CCN (Riipinen et al., 2011, 2012; Paasonen et al., 2013). La modélisation de l’effet radiatif des AOSB à l’échelle globale montre que les AOSB augmenteraient la concentration annuelle globale de CCN (entre 3,6 et 21%) impliquant une augmen- tation de la concentration moyenne annuelle globale de gouttelettes nuageuses (entre 1,9 et 5%) induisant un effet indirect global moyen négatif allant de -0,22 W.m−2 à -0,77 W.m−2 (Scott et al., 2014). Cependant, l’influence des AOSA n’est pas à négliger et doit être pris en compte avec les AOSB dans la formation de CCN (Sartelet et al., 2012). D’autres études en laboratoire (Kiendler-Scharr et al., 2009) et des observations (Kanawade et al., 2011) montrent qu’une forte concentration d’isoprène par rapport aux monoterpènes pourraient inhiber la formation de nouvelles particules.
Le second effet indirect découle de la diminutation en taille des gouttelettes nuageuses qui limite les précipitations et prolonge la durée de vie des nuages.
Il existe d’autres rétroactions indirectes associées aux dépôts sec et humide (pluie acide). Le taux de dépôts des aérosols sur la végétation, sur le sol ou à la surface de l’eau contrôlent en partie le taux d’émissions des AOPB et des précurseurs des AOSB et le forçage radiatif des AOSB.
Le changement climatique pourrait favoriser la photosynthèse, les émissions de COVB et la formation des AOSB. Ces derniers, pouvant agir comme CCN, augmenteraient la couche nuageuse et apporteraient finalement un refroidissement (rétroaction néga- tive)(Kulmala et al., 2004).
Actuellement, le forçage radiatif des aérosols en comparaison à l’ère pré-industrielle est estimé entre -1 et -2 W.m−2 (Fig. I.1). C’est le seul forçage anthropique négatif qui compense en partie le forçage positif des GES. Cependant, la plus grande incertitude dans le système climatique réside dans l’interaction aérosol-nuage-précipitation et sur leur effet de rétroaction (Lohmann and Feichter, 2005; GIEC, 2014; Kanakidou et al., 2005; Andreae et al., 2005).
1.4.2 Impact sanitaire
Des nombreuses études ont fait le lien entre la présence de particules fines dans l’air et l’augmentation de maladies cardiovasculaires, respiratoires et allergiques (Pope et al., 2004b; Poschl, 2005). Ces troubles sont notamment causés par les particules ultra-fines (dp < 100 nm) qui pénétrent dans les poumons puis dans le sang (Nemmar et al., 2002;
Donaldson et al., 2003; Poschl, 2005). En France, la loi sur l’air du 30 décembre 1996 dite loi sur l’Air et l’Utilisation Rationnelle de l’Énergie (LAURE) fixe le seuil de niveau d’information et de recommandation à 80 µg.m−3 et le niveau d’alerte à 125 µg.m−3 moyenné sur 24 heures pour les PM10. La cour des Comptes a récemment estimé les dépenses sanitaires causées par la pollution de l’air à 20-30 milliards d’euros par an pour la France (Etudes et documents, Avril 2013). Selon un rapport du programme Clean
1. LES AÉROSOLS 23
Figure I.10 –Gain moyen d’espérance de vie (mois) à l’âge de 30 ans dans les 25 villes du projet Aphekom si les niveaux moyens annuels de particules fines (PM2,5) étaient ramenés à 10 µg.m−3(valeur guide préconisée par l’OMS)(Projet Aphekom, 2012).
Air for Europe, mené par la Commission européenne et publié en 2005, les particules fines réduisent l’espérance de vie et sont responsables de 42 000 morts prématurées chaque année en France, c’est-à-dire environ 8% des décès prématurés annuels. Dans le monde, l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) estime qu’en 2010, 223 000 per- sonnes sont décédées du cancer du poumon imputable à la pollution atmosphérique. Le projet européen Aphekom a obtenu les résultats présentés sur la Figure (I.10). Les chiffres montrent qu’une diminution des concentrations annuelles moyennes des PM2,5 jusqu’à 10 µg.m−3 aurait permis une augmentation de l’espérance de vie entre 3,6 et 7,5 mois pour des personnes âgées de 30 ans selon les villes considérées.
1.4.3 Impact sur le batiment
Le dépôt de particules sur les monuments architecturaux noircit et dégrade la structure. Il s’agit d’un aspect esthétique qui peut impacter l’économie locale, régionale et nationale à travers une diminution d’affluence touristique. Cet impact négatif sur l’économie est renforcé par le coût de la restauration de ces édifices qui demande l’utilisation de produits chimiques corrosifs fragilisant le bâtiment.
Nous venons de voir que les aérosols atmosphériques couvrent une gamme de taille importante, qu’ils présentent une composition chimique variée et qu’ils impactent de ce fait plus ou moins le bilan radiatif, la qualité de l’air et la santé. Dans la partie suivante, il est nécessaire de s’intéresser plus particulièrement aux AOS ceux pour lesquels il y a le plus d’incertitudes en termes d’impact, de processus de formation et d’évolution chimique et de budget global (cf. 1.3.2).
2
Les aérosols organiques secondaires
L’oxydation des COVA et COVB aboutit à des COSV qui peuvent condenser sur des particules pré-existantes que l’on modélise traditionnellement par un équilibre ther- modynamique entre la particule et la phase gazeuse. La connaissance de l’état thermo- dynamique et chimique des AOS est primordial pour estimer leur impact sur le bilan radiatif direct et indirect. Nous allons détailler dans cette partie, le processus de forma- tion traditionnelle des AOSgaz, en s’intéressant, tout d’abord à leurs précurseurs gazeux, puis à leur interaction avec la phase particulaire et enfin à leur vieillissement chimique au sein de la particule. Dans une sous-partie, nous aborderons les nouvelles approches de modélisations des AOSgaz.