Les constituants gazeux et particulaires atmosphériques vont être éliminés de l’atmosphère et déposés au sol par deux processus (Figure I-1.2):
▫ La déposition humide,
▫ La déposition sèche.
Figure I-1.2 : Processus de dépôts des polluants.
1.2.1. La déposition sèche
La déposition sèche consiste en une déposition au sol d’une espèce chimique sans présence de précipitation. Cette déposition peut s’effectuer par simple sédimentation en ce qui concerne les grosses particules. La vitesse de sédimentation ν est déterminée par l’équilibre existant entre la force de frottements (Fr) et la force de gravité (Fg) :
Fr = Fg⇔ 6.π.η.ν.r = m.g = ρ. 3 4 .π.r3.g d’où ν = 9 2 .r².ρ.
η
gavec η : viscosité de l’air (= 182 * 10-6 Pa), ν : vitesse de sédimentation (m/jour), r : rayon de la particule (en m), m : masse de la particule (en g), g : accélération de la pesanteur (= 9,81 ms-2) et
ρ : masse volumique (g/m3).
1.2.2. La déposition humide
La déposition humide correspond à un lavage de la colonne atmosphérique verticale par les précipitations. C’est le phénomène le plus efficace pour faire disparaître les composés chimiques de l’atmosphère. On a incorporation d’un constituant dans une goutte suivie de son élimination par précipitation. Il existe deux types d’incorporation du constituant au sein de la gouttelette de pluie amenant à deux types de déposition humide :
1.2.2.1. Le « rain-out »
Dans ce cas, il y a absorption du constituant (gaz solubles et/ou particules) par les gouttelettes d’eau au sein même du nuage. Les données de dépositions reflètent le processus du « rain out ».
1.2.2.2. Le « wash-out »
Dans ce cas, il y a lessivage de la colonne atmosphérique sous le nuage. Ce processus d’incorporation s’effectue par collisions, impactions entre les hydrométéores et les constituants en suspension dans l’air. Il y a contact entre les grosses particules (grande inertie) et les gouttes d’eau. Quand les gouttes d’eau tombent, elles déplacent de l’air et donc les petites particules (faible inertie) les évitent. De ce fait, le nombre de collisions entre une grosse particule et les gouttes d’eau est le plus important. En théorie, on utilise souvent le terme de « taux de lavage » pour caractériser ce type de déposition. Les données de concentrations reflètent le processus du « wash out » de la colonne atmosphérique. Ce taux correspond à la fraction de composé atmosphérique (gazeux ou solide) éliminée par la précipitation par unité de temps (Fenton et al., 1980) :
Ti =
g l
C C
avec Ti : taux de lavage du composé i, Cl : quantité de composé i capté par la précipitation et Cg :
quantité de composé i dans l’air avant la précipitation.
1.2.2.2.1. Pour un composé gazeux
Ti = 2 * π *
r
m * Dg * Sh(r
m) * N(r
m)avec rm : rayon des gouttes de pluie (considéré constant), Dg : coefficient de diffusion du composé
gazeux dans l’air, Sh(rm) : nombre de Sherwood et N(rm) : nombre de gouttes de rayon r par unité de
volume d’air.
1.2.2.2.2. Pour un composé solide
Ti (
r
p) =∫
∞
0
π *
r
² * V(r
) * E (r
,r
p) * N(r
p) *d
ravec r : rayon de la goutte, rp : rayon de la particule, V(r) : vitesse de la goutte, E (r, rp) : efficacité
de collision et N(rp) : nombre de particules. E (r, rp) se définit comme le rapport du nombre total de
collisions entre les gouttes et les particules sur le nombre de particules contenues dans un volume connu. Pour cette formulation, quelques hypothèses ont été émises comme par exemple :
▫ V(r) >>> Vp(rp) avec Vp(rp) : vitesse de la particule,
Le système de collecte permet d’exclure les dépôts secs (poussières) qui ont souvent une origine locale ainsi que les dépôts occultes (givre, brouillard,..). Les concentrations en différents éléments chimiques sont par conséquent représentatives du transport des polluants sur de moyennes ou longues distances. Le cumul annuel des espèces chimiques déposées par unité de surface est alors appelé dépôt humide ou dépôt stricto sensu, ou plus simplement, dépôt annuel.
1.2.2.3. Détermination du dépôt humide
Durant leur chute vers le sol, les hydrométéores entrent en collision avec des polluants atmosphériques présents au sein et sous le nuage. Ceci détermine en majorité la composition chimique des précipitations.
Nm = C * Hmm
où Nm : dépôt humide (mg/m²), C : concentration moyenne pondérée (mg/L) et Hmm : hauteur des
La compréhension de la chimie des précipitations requiert donc d’une connaissance de la chimie atmosphérique.
2
2..
CChhiimmiieeAAttmmoosspphhéérriiqquuee
L’air que nous respirons n’est jamais totalement pur. Si l’azote et l’oxygène représentent environ 99 % de la composition totale de l’air, on trouve dans le 1 % restant une grande variété de composés plus ou moins agressifs pour l’homme et son environnement. Le terme pollution regroupe une multitude de mécanismes et d'actions dont la conséquence est une dégradation de notre environnement. Il n'est de fait pas aisé de la définir. D’après la définition du Conseil de l’Europe, « il y a pollution de l’air lorsque la présence d’une substance étrangère ou une variation importante de la proportion de ses constituants est susceptible de provoquer un effet nuisible, compte tenu des connaissances scientifiques du moment ou de créer une gêne ». Selon l’article 2 de la loi n° 96-1236 du 30
décembre 1996 sur l’air et l’utilisation rationnelle de l’énergie : « constitue une pollution
atmosphérique au sens de la présente loi l’introduction par l’homme, directement ou indirectement, dans l’atmosphère et les espaces clos, de substances ayant des conséquences préjudiciables de nature à mettre en danger la santé humaine, à nuire aux ressources biologiques et aux écosystèmes, à influer sur les changements climatiques, à détériorer les biens matériels, à provoquer des nuisances olfactives excessives ». Cette définition prend en compte les émissions dues à l'action humaine mais ne prend pas en compte les sources biotiques (sources naturelles comme les végétaux, l'érosion des sols, les volcans, etc.) qui bien que non contrôlables, sont aussi des sources d'émissions polluantes.
Depuis le début du siècle l’accroissement démographique et le développement industriel ont occasionné d’importantes émissions de gaz et d’aérosols. Les modifications de la constitution de l’atmosphère qui en découlent, peuvent avoir des répercussions aussi bien à l’échelle locale (conséquences sur la santé humaine, les végétaux ou les matériaux) qu’à l’échelle planétaire (modification du climat : effet de serre, diminution de la couche d’ozone stratosphérique). Pour évaluer les effets de la pollution de l’air, il est nécessaire de prendre en compte trois facteurs :
L’émission des polluants : Les polluants sont libérés dans l’air ambiant par des sources naturelles
(volcans, océans, végétation, etc…) ou anthropiques (industrie, transport, chauffage, etc…). Les principales émissions anthropiques concernent le dioxyde de soufre (SO2), les oxydes d’azote (NOx),
les composés organiques volatils (COV), les aérosols, …
Le transport et la transformation chimique des polluants : Certains polluants sont émis
directement par une source, c’est le cas notamment du dioxyde de soufre. Ils sont dits primaires. Les concentrations dans l’air de ces polluants sont maximales à proximité des sources, puis tendent à diminuer au fur et à mesure que l’on s’éloigne de celles-ci du fait de leur dilution dans l’air.
Des polluants peuvent évoluer chimiquement après leur émission, se transformer ou produired’autres polluants. Ce sont des polluants secondaires. L’ozone, qui se forme à partir des oxydes d’azote et des COV sous l’action du rayonnement solaire, appartient à cette famille. Des paramètres relatifs à la source du polluant (hauteur de rejet, débit, température…), des paramètres météorologiques et climatiques (rayonnement solaire, température, turbulence, vitesse et direction du vent …) et des paramètres topographiques jouent un rôle prépondérant dans le transport et la transformation chimique des polluants. Ils ont une incidence importante sur les niveaux de pollution observés au sol. Les paramètres climatiques et météorologiques varient fortement en fonction de la saison expliquant certaines fluctuations des concentrations saisonnières de polluants primaires (dioxyde de soufre par exemple) et secondaire (ozone).
L’immission : Le terme immission est employé pour caractériser la concentration des polluants dans
l’air ambiant.