L'AÉROSOL ATMOSPHÉRIQUE

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Submitted on 1 Jan 1975

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L’AÉROSOL ATMOSPHÉRIQUE

J. Fontan, J. Servant

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J. Fontan, J. Servant. L’AÉROSOL ATMOSPHÉRIQUE. Journal de Physique Colloques, 1975, 36 (C8), pp.C8-25-C8-35. �10.1051/jphyscol:1975806�. �jpa-00216426�

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C8, supplément au n° 12, Tome 36, Décembre 1975, page C8-25

L'AÉROSOL ATMOSPHÉRIQUE

J. FONTAN et J. SERVANT

Physique des Aérosols et Echanges Atmosphériques

E.R.A. n° 378, Centre de Physique Atomique, Université Paul-Sabatier, Toulouse, France

Résumé. — L'aérosol atmosphérique peut avoir différentes origines, Les noyaux d'Aitken sont principalement formés par réactions entre composés gazeux ou réactions photochimiques. Les gros noyaux et noyaux géants sont surtout arrachés à l'écorce terrestre ou aux océans. A la production naturelle s'ajoute aujourd'hui une composante artificielle. La composition chimique des particules d'aérosols peut dans certains cas caractériser leur origine. On connaît cependant peu de chose sur la nature chimique des particules, en particulier leur composition organique, la teneur en vapeur d'eau, etc... La composante artificielle de l'aérosol atmosphérique pourrait être susceptible d'engen- drer des modifications du milieu : bilan radiatif, cycles géochimiques, précipitations, etc..

L'aérosol atmosphérique provient :

— de réactions entre composés gazeux, parfois sous l'action du rayonnement solaire, les composés gazeux étant d'origine naturelle ou produits par l'activité de l'homme ;

— de l'érosion éolienne, de la génération par la mer sous l'action du vent et de vagues ;

— de matériaux biologiques, bactéries, spores, pollens ;

— de l'activité volcanique ;

— l'origine peut aussi être météoritique ;

— enfin de l'activité de l'homme.

Cette dernière est susceptible d'augmenter la quan- tité de matière à l'état particulaire dans l'atmosphère, ce qui peut se traduire :

— par une modification du bilan radiatif;

— par une action sur la formation des nuages et des brouillards ;

— la matière transportée par l'atmosphère peut amener une modification de certains cycles géochi- miques ;

— enfin dans les zones urbaines ou industrielles la pollution particulaire peut altérer la santé de l'homme et la vie des animaux et végétaux.

D'où l'intérêt actuel pour l'étude de l'aérosol atmosphérique.

Les principaux problèmes qui se posent sont :

— les modes de formation et la détermination de l'intensité des différentes sources, ceci à différentes

échelles; localement mais aussi à l'échelle de la planète ;

— l'évolution des caractéristiques de l'aérosol dans l'atmosphère (coagulation, hydratation, etc..) ;

— sa disparition par dépôt sec et par dépôt humide ;

— l'action sur le bilan radiatif et la formation des hydrométéores, l'intensité des précipitations, etc..

— enfin, l'action sur le milieu vivant.

On a l'habitude de classer l'aérosol atmosphérique en fonction de la dimension des particules. Nous distinguerons ainsi les noyaux d'Aitken, dont la dimension est inférieure à 0,1 um et les gros noyaux et noyaux géants. Nous n'aborderons pas l'aérosol marin qui est traité par Chesselet et nous resterons dans les généralités en ce qui concerne la formation des noyaux par réactions entre gaz ou photochimi- ques, ce problème étant présenté par G. Madelaine.

1. Les noyaux d'Aitken. — Ils sont appelés ainsi car ils ont été mesurés par Aitken à l'aide d'un comp- teur dont le principe est équivalent à celui d'une chambre de Wilson, utilisée autrefois pour la détection des rayonnements nucléaires. On produit brusquement une détente dans une enceinte contenant l'aérosol saturé d'une vapeur, qui est le plus souvent la vapeur d'eau. La condensation, lors de la détente, se produit sur les particules de l'aérosol. On règle la valeur de la sursaturation lors de la détente de telle sorte que la condensation se fasse sur des particules dont le Abstract. — The atmospheric aerosol could have different origins. The Aitken nuclei are created

by reactions between gas or by photochemical reactions. The large and giants nuclei are mainly pull from the earth's crust or the oceans. To-day to the natural production is added and artificial one.

The chemical composition of the particulate of the aerosol could characterized their origins. Never- theless not much about the chemical composition is known, particularly about the organic phase, the water content... The artificial component of the atmospheric aerosol could be capable to develop some modifications of the environment : radiatif budget, geochemical cycles, rainfall...

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1975806

CS-26 J. FONTAN ET J. SERVANT

rayon est supérieur à 10 A. Dans les chambres de Wilson, la sursaturation est plus grande et la conden- sation se fait sur les ions.

FIG. 1. -La contamination de i'air océanique par les noyaux d'origine continentale est illustrée sur cette figure. Les observa- tions ont été effectuées au-dessus de l'Océan Atlantique Nord entre 1966 et 1971, les valeurs représentent les moyennes de la concentration de noyaux d'Aitken en nombre par cm3. Les plus fortes valeurs s'observent près des côtes aux latitudes moyennes de part et d'autre du bassin; les plus faibles valeurs sont enregis- trées au milieu de l'océan. On voit donc où sont. situées les sources de noyaux et comment évolue cette contamination lorsque les masses d'au se déplacent au-dessus de l'océan. La concentration de 300/cm3 semble constituer le bruit de fond au-dessus des océans.

On a cependant observé des valeurs plus faibles, en particulier au Groenland (d'après Flyger et al. [13]).

Les noyaux d?Aitken proviennent principalement de réactions dans l'atmosphère entre gaz en traces sur- tout SO,, H,S, NO,, NH,, O,, composés organiques ...

suivant des réactions encore mal connues. Un certain nombre d'entre elles se produisent sous l'action du rayonnement solaire. H2S et SO, peuvent donner des particules de sulfate et d'acide sulfurique. NH, et

sdo2 103 ^{NOYAUX c d 3} 10 15

FIG. 2. -Variation en fonction de l'altitude, des concentrations en noyaux d'&ken, mesurées dans le Sud-Ouest de la France. A chaque diminution brutale correspond une inversion de tempé- rature. En effet, les noyaux d'Aitken sont produits près du sol. Ils ne peuvent se disperser vers le haut lorsqu'une inversion de tempé- rature freine les échanges. L'air en altitude correspond à un flux d'Ouest, c'est-à-dire à de l'air provenant de l'Océan Atlantique, ce qui explique la faible concentration en noyaux d'Aitken au- dessus de 1 500 m environ (d'après Lopez, Servant, Fontan [3]).

NO, conduisent à des nitrates ou des sels d'ammo- nium. Les composés organiques d'origine naturelle ou artificielle peuvent produire une grande variété de composés (voir exposé Madelaine). La constitution chimique précise des noyaux d'Aitken est en fait mal connue. Elle est en effet difficile à étudier. Il faut collecter ces noyaux dont la masse unitaire est très faible, sans collecter les grosses particules et procéder ensuite à des analyses sur des masses infimes de matière.

L'étude de la formation des noyaux d7Aitken est encore plus délicate. Les réactions photochimiques sur lp gaz à l'état de traces .ou entre gaz différents donnent un germe. Ce dernier suivant les conditions, c'est-à-dire les pressions partielles des gaz en traces et la tension de vapeur du composé formé, pourra ou non grossir pour donner un noyau dYAitken.

A titre d'exemple, on peut citer quelques réactions qui permettent d'expliquer la transformation du SO,.

En présence d'oxydant : -

S 0 2 + ^O + ^{M -, SO,} + M SO, + ^{H,O -, H,SO,.}

c-. Septembre

M Décembre Heures

12 .16 20 2L

véhicules heure -1 2 r

103

5

b

2 Août

H Septembre Pd Décembre

10'

I I

Heures

, < , , 1 1 1 1 h , 1

0 1 8 12 16 20 24

FIG. 3. -a) Variations diurnes moyennes de la concentration en noyaux d'Aitken chargés + au centre de la ville de Toulouse pour les mois d'août, septembre et décembre ; b) variations correspon- dantes de l'intensité de la circulation automobile. On peut remar- quer un minimum de la concentration en noyaux d'Aitken au milieu de la journée qui provient des augmentations de la vitesse du vent et de la diffusion verticale. La concentration plus forte au mois de décembre est due en partie au chauffage des locaux et habitations.

H2S04 joue le rôle de germe, et en présence de vapeur d'eau peut donner naissance à des particules. De la même façon Mohnen et al. [1] expliquent la formation d'aérosols en présence de NH, et SO,

La tension de vapeur de ce composé étant faible, il y a nucléation de vapeur d'eau autour de NH,S02 et formation d'une particule d'aérosol, dans laquelle se forme (NH4),S0,. Le sulfate d'ammonium peut aussi se former au sein de la particule contenant H2S04, qui réagit alors avec NH,, en phase liquide.

On peut aussi envisager la formation de (NH4),S04 par réaction de SO, et NH3 absorbé par la particule, formée à partir de H2S04.

Les études en laboratoire n'en sont qu'à leur début.

Elles doivent permettre de préciser suivant les condi- tions m situ : température, concentrations en gaz traces, vapeur d'eau, etc ... les types de réactions possibles. Elles sont difficiles, car elles font appel aux techniques les plus évoluées de la chimie analytique sur des composés à l'état de traces associées aux techniques de physique des aérosols. Il faut, en parti- culier, éviter soigneusement les influences des parois des récipients qui absorbent ou dégagent des gaz en traces.

Un important travail de mesure m situ, de la concen- tration des éléments en traces, sous forme de gaz et de particules, doit aussi être fait, de façon à dégager les

principaux modes de formation. Il faut pour cela améliorer les méthodes de prélèvement en altitude, puis d'analyses très faibles de concentrations.

Les noyaux d'Aitken vont surtout se former près des zones ou il y a production de gaz susceptibles de leur donner naissance, c'est-à-dire dans l'air au-dessus des continents. Ils sont produits aussi directement dans les combustions et on les retrouve dans les fumées des zones polluées. Ils peuvent aussi résulter de la condensation de certaines vapeurs, telles que des vapeurs métalliques d'effluents industriels.

Au-dessus des océans, loin des terres, la concen- tration est de quelques centaines de particules par cm3.

Au Groenland, au-dessus de la calotte glaciaire, on mesure une concentration de quelques particules seulement par cm3. Dans les villes polluées, elle atteint jusqu'à IO6 par cm3. En zone male, la concentration est comprise entre 103 et IO4 noyaux par cm3. Les composés qui leur donnent naissance sont vraisem- blablement produits par le sol ou la végétation.

Lopez et al. [2] ont récemment mesuré l'intensité des principales sources de noyaux dYAitken dans le Sud- Ouest de la France : la ville de Toulouse (400 000 habi- tants) produit environ 5 x 10'' noyauxlseconde, la zone industrielle de Lacq 1018 noyaux/seconde, la forêt, de conifères des Landes 105 noyaux par cm2 et par seconde, la zone rurale de Midi-~frénées 3 x IO4 noyaux par cm2 et par seconde. Approxi- mativement 75 % des sources sont d'origine naturelle, c'est-à-dire sol et végétation, 25 % provient de l'activité urbaine ou industrielle (Lopez et al. [2]).

FIG. 4. - Variation journalière de la concentration en noyaux d'Aitken à Brazzaville (République Populaire du Congo). La concentration de radon est un indicateur de la stabilité verticale de l'atmosphère. Les noyaux d'Aitken qui sont produits par l'activité humaine atteignent des concentrations importantes. La source principale semble être les feux de bois servant à la préparation des repas (d'après Cros [14]).

noyaux d'Aitken ---- concentration en radon . . . . . . . vitesse du vent.

C8-28 3. FONTAN ET J. SERVANT

La variation journalière classique de la concen- tration des noyaux d7Aitken en zone rurale, non polluée, correspond à un maximum au début et à la fin de la journée, tout au moins par beau temps enso- leillé. L'augmentation en fin de nuit correspond à un accroissement de la stabilité verticale de l'atrno- sphère, accompagnée d'une augmentation de la source en début de journée sous l'action vraisemblablement du rayonnement solaire qui produit des réactions photochimiques sur les gaz en traces et qui, peut aussi modifier la production de ces gaz par le sol ou la végé- tation. Le minimum pendant la journée correspond en général à une source importante, mais la turbulence thermique diurne entraîne ces noyaux en altitude.

La concentration augmente en fin de journée lorsque l'instabilité verticale de l'atmosphère diminue. Il y a arrêt de la production photochimique des noyaux pendant la nuit d'où une baisse des concentrations ^' (Lopez et al. [3]).

2. Gros _noyaux et noyaux géants. ^- Ces deux classes, gros et géants, se distinguent surtout par leu,r taille. Ils proviennent de sources diverses : la coagu- lation des noyaux d'Aitken, l'érosion éolienne, l'acti- vité industrielle qui rejette directement des fumées et des poussières dans l'atmosphère.

Le vent, par érosion, introduit dans l'atmosphère des particules de sol ou de roches dont les dimensions

sont comprises entre 0,l et 100 Pm. Les plus grosses retombent rapidement, les plus fines peuvent être entraînées à de grandes distances. L'érosion est d'au- tant plus intense que le sol est sec et la végétation rare.

C'est ainsi que dans les régions désertiques des quan- tités considérables de matière peuvent être mises en suspension dans l'air et transportées très loin. Sur l'Europe, on observe parfois des retombées de pous- sières qui colorent la pluie en rouge. Elles proviennent des vents de sable du Sahara. Ce phénomène est signalé depuis l'antiquité, mais il n'a été expliqué qu'au .siècle dernier. Nos lointains ancêtres croyaient à des pluies de sang et ils y voyaient de mauvais présages.

Plutarque parle de pluies de sang après de grands combats dans la guerre cimbrique, après le massacre de milliers de cimbres dans les plaines de Marseille.

Il explique que les vapeurs sanguines distillées des corps et diluées dans rhumeur d a nuages communiquaient à ceux-ci leur coloration rouge.

Aux Iles Barbades qui se trouvent sous les vents alizés provenant d'Afrique, on observe très fréquem- ment les poussières venant du Sahara. Bertrand, Baudet et Trochon de Yuniversité d'Abidjan (Ber- trand et al. [4]) ont étudié certains vents de sable qui amènent du Sahara des poussières sur le Sud-Ouest de l'Afrique. Ils sont produits entre un anticyclone sur le Nord du Sahara et la zone dépressionnaire de

POUSSIERES

FIG. 5. - A gauche : Principales sources de noyaux atmosphériques (rayon < 20 p). Les sulfates, sels d'ammonium, nitrate, hydrocarbures proviennent de transformation gaz-aérosol. Les sulfates d'origine naturelle proviennent de SH,, ceux d'origine artificielle de SO,, les nitrates de NOx, les hydrocarbures des plantes et des sources de pollution. On peut remarquer qu'une grande partie de l'aérosol atmosphérique provient de la transformation gaz-solide, d'après Inadvertent climate modification (MIT Press) [15]. A droite : Ssurces de,poussières cos- miques, et des poussières dues à la pollution au-dessus de la France en 1970. Les traits continus représentent les estimations minimales et

les tirets les estimations maximales.

l'équateur thermique. Le vent engendré par le gradient localisée, correspondant au Sud algérien et marocain de pression est accentué par un effet de couloir entre et au Nord de la Mauritanie. Ces auteurs ont estimé certains massifs montagneux du Sahara. Sous le vent à partir des mesures de visibilité que 5 x 106 t pou- de ces couloirs se trouvent les zones de génération vaient se trouver en suspension dans l'air. Par an, massive des poussières. Ce sont le bassin du Tchad la quantité totale injectée par ces phénomènes sur au-dessus du 15 ON et une zone très vaste et moins l'ensemble des déserts est supérieure à 130 x 106 t.

'FIG. 6. -Troubles de la visibilité dus à des vents de sable sur l'Ouest de l'Afrique tropicale et équatoriale (d'après Bertrand et al. [4]).

OuegadOugoU v 112.21N - ^01.31Wl

Bouaké * . - .x- - - .X 107.44N-05.04Wl

Abtdjan & -O-.+ 105.UN - ^O3.56Wl

F ~ G . 7. - Variations de la visibilité dans trois villes de l'Afrique de l'Ouest lors d'un épisode de vent de sable (d'après Bertrand et al., 1975).

CS-30 J. FONTAN ET J. SERVANT

Il est évident que de telles quantités de matière en suspension dans l'air ont de nombreux inconvénients : la visibilité peut être inférieure à 100 rn paralysant le trafic aérien ; l'inhalation de ces poussières entraîne une gêne pour les habitants des pays concernés ; l'aérosol ainsi formé modifie le bilan radiatif de l'atmosphère. En particulier, il semble que localement, la matière entraîne un échauffement de l'air en altitude et augmente la stabilité de l'atmosphère réduisant ainsi l'intensité des mouvements convectifs suscep- tibles de donner naissance à des précipitations. Elle joue dans une zone ayant un risque de désertification dans le sens d'une accélération du processus, trans- portant au loin la terre arable, qui pourrait donner de la végétation, empêchant le sol d'être érodé. La sécheresse qui règne depuis plusieurs années en

Afrique tropicale se traduit par une augmentation de la quantité de poussières qui arrive aux Iles Bar- bades et sur l'Afrique équatoriale.

3. Les poussières volcaniques. - Comme les vents d e sable, les volcans peuvent introduire ,pendant des périodes courtes des quantités considérables de matière. Les éruptions les plus spectaculaires ont été celles du Krakatoa (Inde) en 1883 et du Mont Agung en 1963. Ces éruptions ont introduit des poussières jusque dans la stratosphère, c'est-à-dire à plus de 10 km d'altitude. Celle du Krakatoa qui aurait intro- duit, d'après Lamb, 10'' t dans la stratosphère a produit une obscurité semblable à celle de la nuit sur une distance de plus de 100 km. A la suite de l'explosion du Mont Agung, une augmentation de la 'température

MAR 7 ²⁷ 1 ^{MAR 28}

AVR 6 AVR 18

FIG. 8. -Distribution granulométrique de l'aérosol généré par l'érosion du sol (Giilette et al. [16]).

MAR 28

O

FIG. 9. - Distribution granulométrique du flux vertical de poussières provenant de l'érosion éolienne. Le flux est obtenu en mesurant le gradient de concentration et les coefficients de diffusion de quantité de mouvement (Gillette et al. [16]).

de l'ordre de 5 OC a été observée dans la stratosphère des régions tropicales. Plus récemment les éruptions des volcans d'Islande et des Iles Galapagos ont aussi introduit des quantités importantes de matière dans la troposphère et la stratosphère.

La nature des particules mises en suspension dans l'atmosphère par les volcans n'a été étudiée que depuis ces dernières années. Il s'agit de particules de lave avec cependant des compositions parfois différentes de cette dernière et aussi des particules d'acide sul- furique qui se forment vraisemblablement à partir du SO, émis par les volcans.

4. Les poussières d'origine météoritique. - Elles proviennent principalement de l'ablation des météori- tes lors de leur entrée dans l'atmosphère et d'un apport de poussières cosmiques. Elles ont été étudiées en collectant dans l'Antarctique, c'est-à-dire dans un site peu pollué, de grandes quantités de poussières et en analysant la concentration du Nickel dont la concentration dans l'aérosol atmosphérique ou dans les sédiments. Piccioto et al. utilisent une méthode originale; ils dosent un isotope radioactif, le Man- ganèse,53, de période radioactive 106 ans, qui se forme exclusivement dans l'espace par action du rayonne- ment cosmique sur la matière extraterrestre. Le flux de poussières cosmiques qui arriverait chaque année

sur la terre serait de l'ordre de 10% à IO7 t par an.

5. Les matériaux biologiques. - Il n'existe que peu d'étude concernant ce type d'aérosol. Pourtant l'at- mosphère transporte, et cela sur de grandes distances, des matériaux biologiques dont la dimension serait supérieure à 1 pn : bactéries, spores, pollens, virus (ces derniers étant fixés sur des particules). On a identifié des bactéries d'origine marine à des distances de plus de 150 km à l'intérieur des terres, les pollens peuvent être transportés aussi sur de grandes dis- tances et on connaît « les pluies de soufre ?) du Sud- Ouest de la France qui sont en fait des retombées du pollen émis vraisemblablement par la forêt des Landes.

6. La composition chimique de l'aérosol atmo- sphérique. - Nous avons déjà signalé que l'on connaît mal la composition des noyaux dYAitken. Il existe cependant de nombreuses études pour déterminer la composition chimique de l'aérosol atmosphérique en utilisant des techniques comme l'activation neutro- nique, l'absorption atomique, la fluorescence X, etc.. .

Il s'agit surtout donc, de la composition des gros noyaux et noyaux géants qui, en nombre, sont très inférieurs aux noyaux d'Aitken, mais leur dimension étant plus grande, il porte la plus grande partie de la masse de l'aérosol atmosphérique.

La composante organique de l'aérosol atmosphé- rique est peu connue, exception faite pour des sites urbains où quelques études ont été effectuées.

La composition chimique des noyaux peut fournir des indications sur leur origine. Nous citerons 2 exem- ples. L'étude de Delany et al. [q qui ont étudié par fluorescence X la répartition verticale au-dessus de l'Océan Pacifique et du continent américain, de différents éléments Na, Br, Si, Cl, K et Mn. Le Man- ganèse et le Silicium sont essentiellement d'origine continentale. L e Sodium par contre vient surtout de la mer. Ceci apparaît sur la figure 10 lorsque l'on compare pour chaque élément les concentrations près du sol pour les deux sites. Le rapport entre les concen- trations de deux éléments est caractéristique de l'origine des poussières (Fig. 11). On peut remarquer qu'en altitude, les éléments apparaissent d'origine continentale. Ceci ne doit pas être généralisé et peut dépendre du site et de ses caractéristiques météoro- logiques. On note sur la figure 11 (e) un enrichissement en altitude de l'aérosol en chlore. Le phénomène contraire s30bserve dans les basses couches (voir article Chesselet). Il semble que le chlore se dégage des aérosols près de la surface de la mer ou du conti- nent et se refixe sur les particules en altitude (Del- mas [6]).

;!!?hl

FIG. 10. -Variations en fonction de l'altitude de la composition de l'aérosol atmosphérique pour 2 sites, l'un au-dessus du Paci- fique, l'autre au-dessus du continent américain (d'après Delany

et al. [5]).

Une autre étude intéressante de caractérisation de la masse d'air par sa composition particulaire est celle réalisée par l'équipe du Professeur Baudet à Abidjan.

Le Front Intertropical ou FIT est la limite de sépa-

CS-32 J. FONTAN ET J. SERVANT

( a l -

- _{- Na}

SI

a

2

O 0,lO 020 0,30 0,40 030 0.60

FIG. 12. Rcpri.scntntioii de la coiiiposition de l'aéroaol atmosphé- rique. Suivant l'origine des poussières, il-se trouve vers l'un des sommets (en bas, à droite) / / / / aérosols marins (en bas, à gauche)

* matière végétale (en haut) - A horizons superficiels de sols.

FIG. I l . -Variation en fonction de l'altitude des rapports de concentration de divers éléments pour un site continental, un

site mantime et un site côtier (d'après Delany et al. [5]).

ration entre l'air de mousson et l'air continental venant du Sahara (Harmattan). Dans l'air de mousson, l'aérosol est surtout d'origine marine. Il est princi- palement d'origine continentale dans l'Harmattan.

Ceci est illustré sur les figures 12, 13 et 14. Un aérosol dont la composition est celle de l'eau de mer se trou- verait en bas et à droite du triangle. La composition d'origine continentale apparaît vers le haut du trian- gle. Enfin des particules provenant de la combustion de matière végétale se localise en bas et à droite (Fig. 12).

Les figures 13 et 14 montrent la localisation dans le triangle des aérosols suivant la situation. En saison des pluies, l'aérosol est surtout d'origine marine.

C'est le régime de mousson. En saison sèche, il est d'origine continentale. On voit enfb apparaître lors de feux de brousse, un déplacement vers la composi- tion de la matière végétale (Fig. 14).

FIG. 13. - Caractérisation de la composition de l'aérosol en fonc- tion de la masse d'air (Station de Lamto, Côte-d'Ivoire) (d'après Barlet [Io]). O saison des pluies + saisons intermédiaires . ^saison

sèche (en haut).

Cawse et Pearson ont montré que la composition chimique des particules d'aérosol varie avec la dimen- sion (Cawse et Pearson [y]). C'est ainsi que Aluminium, Manganèse, Sodium, Fer sont portés par les plus grosses particules. Des éléments comme le Vanadium, le Chrome, le Zinc, le Plomb, etc ... sont au contraire portés par des particules plus fines. Ces éléments se trouvent d'autre part enrichis dans l'aérosol, par rapport à la composition des sols. Plusieurs hypothèses peuvent expliquer ce phénomène. Les éléments enri- chis seraient d'origine industrielle. Ils sont sous forme gazeuse à la sortie des effluents et ils se condensent sur de fines particules qui sont les plus nombreuses dans l'atmosphère. Duce a constaté le même enri- chissement dans l'aérosol de l'Antarctique, du Groen-

FIG. 14. - Caractérisation de la composition de l'aérosol en fonc- tion de la masse d'air (Côte-d'Ivoire) (d'après Barlet [17]). S : zone représentative des prélèvements effectués en saison sèche ; F.B. : zone représentative des prélèvements effectués pendant les périodes

de feu de brousse les plus intenses.

X Ai

X S c

XCe X Na

X Fe

FIG. 15. - Répartition de la composition chimique en fonction de la dimension et de la vitesse de dépôt des particules (d'après

Cawse et Peirson 171).

land et de l'Atlantique Nord. Il suggère un mécanisme naturel, par exemple celui d'enrichissement à partir de la fine pellicule d'eau qui se trouve à la surface des océans qui contient de nombreux composés organi- ques (voir article Chesselet).

7. Adion' de la vapeur d'eau sur l'aérosol atmo- sphérique. - Lorsque l'on étudie la répartition suivant

l'altitude de la rétrodiffusion d'une impulsion Laser (Lidar), on constate fréquemment une augmentation de la rétrodiffusion au voisinage de l'inversion qui surmonte la couche limite planétaire (Costecalde [8]).

Ce phénomène ne s'accompagne pas d'une augmen- tation de la concentration en noyaux d'Aitken (Lopez et al. [2]). Il peut donc être dû à une augmentation de la dimension des particules. Lorsque l'humidité relative de l'air augmente, ce qui se produit dans la couche limite planétaire avec l'altitude, le rapport de mélange de la vapeur d'eau reste constant, mais la température de l'air~diminue d'où augmentation de l'humidité relative.

Plusieurs auteurs ont en effet mis en évidence l'aug- mentation de la dimension des particules d'aérosol ,avec l'humidité relative (Junge [9]). Récemment, Ho et al. [IO] ont mis en évidence la fixation de l'eau par les particules d'aérosols en mesurant la constante diélectrique dans une cavité résonnante vers 3 GHz.

Humidité r e l a t i v e

FIG. 16. -Fraction d'eau dans le poids des particules en fonction de l'humidité relative de l'air (d'après Ho et al. [IO]).

O / i _Y0 40 40 ;O 5'0 do $0 & ^do lho l

Concentration en eau g / m 3

FIG. 17. -Coefficient de diffusion en fonction de la composition en eau de l'aérosol atmosphérique (d'après Ho et al. [IO]).

La constante diélectrique de l'eau est en effet d'un ordre de grandeur plus grand que celui des autres matériaux à cette fréquence. Ce phénomène de fixation d'eau signifie que la dimension des particules

CS- 34 J. FONTAN ET J. SERVANT

de l'aérosol atmosphérique va varier avec l'humidité Temps de séjour Fraction déposée

relative de l'air. Aussi, l'influence de l'aérosol sur la ¹⁰⁰ - .#- ¹

visibilité est fonction de la concentration en particules ^R ,

mais aussi de l'humidité relative. ^/ /

On peut citer d'autres études qui montrent l'in- fluence de la température sur la dimension des parti-

cules par exemple Pueschel et al. [Il]. 50- - ^0.5

8. Le temps de résidence des aérosols. ^- Si la quantité de matière émise dans l'atmosphère par des processus naturels ou par l'action de l'homme est

considérable, heureusement elle peut s'éliminer et on ^{i ,} O

parlera du temps de résidence des aérosols. O 1 1 6 6 I b l ~ m l ^Altitude z L'enlèvement se produit par dépôt sec et par dépôt' FIG. 18. - Variation du temps de résidence (ou de séjour) avec

humide. Le premier correspond à la fixation des parti- l'altitude d'injection.

cules par 1; sol ou la végétation. Les plus grosses, par suite de leur vitesse de sédimentation, se déposent plus rapidement. La végétation joue un rôle important dans ce mécanisme de nettoyage de l'atmosphère.

Notons que le dépôt sec est difficile à mesurer direc- tement. On a coutume de disposer près du sol des surfaces sur lesquelles on étudie ensuite la quantité de matière déposée. On ne tient pas compte de l'in- fluence de la végétation et de tous les obstacles qui se trouvent sur le sol.

Le dépôt humide correspond à l'enlèvement par les précipitations. Le phénomène de capture est le plus efficace au niveau des nuages. Les particules jouent en effet le rôle de noyaux de condensation. Elles peu- vent aussi être capturées par suite de l'agitation brownienne, par les gouttes d'eau ou encore être entraînées par le courant de vapeur d'eau qui se condense. Ce dernier phénomène porte le nom d'effet Facy. C'est donc surtout dans la moyenne troposphère entre 2 et 6 km d'altitude que le phénomène de capture par les hydrométéores est le plus important.

On appelle temps de résidence ou temps de séjour le temps moyen passé par les particules d'aérosol dans l'atmosphère ou dans une tranche d'atmosphère.

Dans le cas où les concentrations ont atteint un équi- libre qui correspond à des pertes égales aux sources, le temps' de résidence est égal au rapport entre la quantité de particules contenues dans la tranche d'atmosphère considérée et la quantité de particules qui apparaissent ou qui disparaissent par unité de temps. Ce rapport n'est égal au temps moyen passé par les particules que dans le cas où les concentrations ont atteint un équilibre. La source d'aérosol doit être continue ou quasi continue.

Le régime d'équilibre dans l'atmosphère est rare- ment atteint et la valeur du temps de séjour que l'on calcule est une valeur indicative. A défaut d'une valeur précise, ce sont les limites de variations qui sont les plus intéressantes. Pour illustrer cela, prenons un

la prochaine perturbation, c'est-à-dire par exemple, une semaine. Entre-temps, les particules auront diffusé dans les couches situées au-dessous @ au-dessus de la zone nuageuse et en fait le temps de séjour sera supérieur à une semaine.

Etant donné les mécanismes de nettoyage de l'atmo- sphère (dépôt sec près du sol, dépôt humide surtout au niveau des nuages) il est bien évident que le temps de résidence est fonction de l'altitude à laquelle l'aérosol est émis. Les valeurs sont de quelques jours pour une émission au sol, un à trois mois p o u une émission dans la haute troposphère (Marenco et Fontan [12]).

Notons que cette notion de temps de résidence s'applique à une concentration en masse, car la coagu- lation entraîne une diminution du nombre de parti- cules sans qu'il y ait enlèvement.

Dans le cas de la stratosphère, le temps de résidence est limité par les échanges entre la stratosphère et la troposphère, puisqu'il n'y a pas d'enlèvement par les précipitations, ni de dépôt sec. Les échanges verticaux étant moins intenses que dans la troposphère, il en résulte que le temps de résidence est beaucoup plus long et il est fonction de la hauteur à laquelle l'injection s'est produite. Les explosions nucléaires expéri- mentales qui ont introduit des quantités considérables de matière radioactive, qui ont été mesurées de façon systématique dans la stratosphère et la troposphère, constituent des données très intéressantes pour l'étude du temps de résidence de l'aérosol stratosphérique.

Aux mouvements de l'air dans la stratosphère vient s'ajouter la vitesse de sédimentation. En effet, le temps de résidence étant compris entre une et plusieurs années suivant l'altitude d'injection, les particules ont le temps de s'agglomérer ou de grossir par d'autres mécanismes et la pression étant faible leur vitesse de sédimentation favorise leur passage à travers la tropopause.

exemple simple, celui de l'injection d'une bouffée 9. Action des aérosols sur le bilan radiatif. - En de particules dans la zone nuageuse, c'est-à-dire 1967, Mc Cormic et Ludwig ont attiré l'attention entre 1 et 6 km environ. .Si cette injection est faite sur le rôle gue pouvait avoir une augmentation de la dans un nuage de pluie, l'élimination des particules concentration de l'aérosol atmosphérique sur le bilan est instantanée, dans le cas contraire il faut attendre thermique de l'atmosphère. En effet, une partie de la

lumière provenant du soleil est rétrodiffusée (environ 10 % pour des particules dont les rayons se situent dans la gamme 0,l-2,5 pm) diminuant d'autant l'énergie solaire directe sur la terre. Cependant, le problème est complexe car certains aérosols, parti- culièrement ceux d'origine industrielle qui contien- nent du carbone, des oxydes métalliques, etc,.. absor- bent une quantité d'énergie comparable à celle qui est rétrodiffusée, ce qui peut entraîner une augmen- tation de la température de la couche polluée, comme dans le cas des poussières sahariennes. Ces particules d'aérosol peuvent aussi absorber et rétrodiffuser le rayonnement infra-rouge réémis par le sol, entraînant alors comme dans le cas du gaz carbonique, un effet de serre. Le bilan total de ce processus dépend de leur importance relative qui est mal connue. On a émis l'hypothèse, il y a quelques années que le refroidis- sement de la surface de la terre de 0,6 OC environ depuis 1960 pouvait être attribué à l'augmentation constatée de la concentration de l'aérosol atmosphé- rique. Les calculs les plus récents montrent que l'effet peut être dans le sens d'un refroidissement ou d'un réchauffement suivant les caractéristiques des aérosols.

10. Y a-t-il une augmentation de la concentration des aérosols dans l'atmosphère ? - La production des aérosols par l'activité humaine correspond à une fraction comprise entre 10 et 50 % de la production naturelle. Etant donné les mécanismes de nettoyage de l'atmosphère pour les particules, on devrait obser- ver une augmentation des concentrations dans les mêmes proportions, tout au moins dans les zones non polluées. En fait, on ne dispose que de peu de mesures représentatives qui peuvent donner une évolution du bruit de fond des concentrations depuis plusieurs dizaines d'années. On a observé ces 25 dernières années aux Etats-Unis et en Russie, loin des agglo-

mérations urbaines ou industrielles, une diminution d'environ 5 "/, du rayonnement solaire direct. Des mesures effectuées sur 20 sites non urbains aux Etats- Unis montrent une augmentation de 12 % de 1962 à 1966 de la concentration moyenne en aérosols.

Enfin la mesure de la conductivité de l'air au-dessus des océans, loin de toute pollution, semble montrer une augmentation d'un facteur 2 de la concentration en aérosols au-dessus de l'Atlantique Nord. Il ne semble pas qu'il y ait de variation dans le Pacifique Sud. Des mesures entreprises, en particulier en France par le laboratoire de glaciologie de Grenoble et le Centre des Faibles Radioactivités du CNRS, de la concentration de certains polluants dans les glaces de YAntarctique et dans les glaciers des Alpes doivent permettre de retrouver l'évolution au cours des temps de la contamination de l'atmosphère par les particules.

Nous avons vu que les particules d'aérosols peuvent éventuellement agir sur le bilan thermique de l'atmo- sphère, sur la santé des populations. Jouant le rôle de noyaux de condensation ou de congélation, ils participent à la formation des gouttes d'eau dans les nuages et les brouillards. On a observé aux Etats- Unis une augmentation des précipitations en particu- lier orageuses, sous le vent des grandes villes dont la population est supérieure à 900 000 habitants. Cette augmentation est corrélée à la production d'aérosols, mais il y a d'autres facteurs en particulier la chaleur dégagée par les agglomérations urbaines, qui peuvent jouer un rôle plus important. Le projet Metromex (Metropolitan Meteorological Experiment) a pour but d'étudier ce problème aux Etats-Unis. Un projet de surveillance à l'échelle mondiale de la concentration de l'air en aérosols et divers polluants dans des sites non soumis à une pollution locale est actuellement en cours d'installation.

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